Данная методика кратко описывает способы получения основных параметров источников света без особого углубления в теорию и описания собственно получаемых характеристик, что отчасти компенсируется ссылками на русскоязычные статьи в Википедии — свободной энциклопедии. Первая версия методики создана и опробована в расчете на тестирование ламп с цоколем E27 и напряжением питания 220—230 В переменного тока 50 Гц. Однако она легко может быть адаптирована под другие патроны (уже создана оснастка под цоколи E14 и GU10) и параметры электропитания — например, под распространенные 12 В постоянного тока.
Содержание:
- Паспортные характеристики и цена
- Краткое описание
- Динамические характеристики
- Энергетические характеристики
- Колориметрические характеристики
- Приложение. Краткое описание конструкции и методики калибровки сферического фотометра.
- Приложение 2. Учет спектральных характеристик сферического фотометра.
Паспортные характеристики и цена
Источниками служат информация на упаковке, маркировка ламп, печатные руководства, веб-сайты производителей и магазинов и т. д. Цена приводится ориентировочная и по возможности актуальная, но только на момент проведения тестов или написания статьи, так как использовать автоматическое обновление цены с использованием популярных баз данных ценовых предложений не представляется возможным. Геометрические размеры и масса, как правило, берутся из данных производителя, но если они отсутствуют или вызывают сомнения, то размеры небольших ламп определяются с помощью штангенциркуля с линейкой 125 мм, больших — линейкой с передвижной угловой планкой. Взвешивание производится на бытовых весах с диапазоном 0—200 г (отсчет 0,01 г), 0-1000 г (отсчет 0,1 г) и 0-5 кг (отсчет 1/5 г). Весы предварительно калибруются или их показания корректируются по результатам взвешивания калибровочных гирек (100—500 г).
Краткое описание
Описание лампы и упаковки дается на основании визуального осмотра, при этом внимание уделяется степени защиты, которую обеспечивает упаковка и количеству полезной информации, приведенной производителем на упаковке, на собственно изделии и в прилагаемой документации. Приводятся фотографии ламп их упаковки, а также документация в отсканированном виде или в виде ссылок на файлы.
Динамические характеристики
В этом и последующих этапах тестирования для питания ламп используются специальные источники электроэнергии. В случае ламп с напряжением питания 220—230 В переменного тока 50 Гц применяется трехступенчатое преобразование сетевого напряжения: к слегка доработанному блоку питания форм-фактора ATX по шине 12 В подключен инвертор 12 В в 220 В / 50 Гц (ИС2-12-300) с синусоидальной формой выходного напряжения, к которому подключен лабораторный автотрансформатор, используемый для подстройки напряжения до требуемой величины.
Для контроля выходного напряжения, а также для определения потребляемой мощности и коэффициента мощности применяется измеритель мощности Metrix PX110. После включения лампы подаваемое напряжение подстраивается до номинального значения, например, 230 В для ламп, чей рабочий диапазон включает эту величину. Во всех тестах используется пассивное охлаждение тестируемых ламп, при этом температура в помещении по возможности поддерживается на уровне 24°С.
В данном блоке тестов по зарегистрированным зависимостям яркости от времени определяются время старта и время выхода на рабочую яркость, также полученные графики позволяют определить особенности выхода на максимальную яркость и величину модуляции света. При тестировании лампа закрепляется в штативе колбой вниз на расстоянии примерно 1 м от колбы до поверхности стола. Свет от лампы регистрируется с помощью фотодатчика, наподобие того, что применяется при определении времен отклика (см. Методика тестирования LCD-мониторов). Сигнал с датчика оцифровывается модулем USB-АЦП L-Card E-140, управляемым специально разработанной программой. В тесте на время старта частота оцифровки составляет 50 кГц, при этом для определения точного времени подачи напряжения используется второй фотодатчик, опрашиваемый одновременно с основным, который отслеживает датчик сетевого напряжения, изготовленный из диодного моста, ограничивающего ток сопротивления и светодиода. Для автоматизации включения лампы применяется простой тиристорный ключ (размещенный в корпусе из зеленой мыльницы), управляемый от цифрового выхода модуля L-Card E-140.
Схема ключа приведена ниже.
Заметим, что примененная оптопара детектирует прохождение напряжения через ноль, поэтому включает тиристор и в конечном итоге нагрузку именно в этот момент. Это позволяет получать одинаковые относительно фазы изменения напряжения графики старта. Высокая частота опроса позволяет выявить все особенности старта и характер модуляции. В тесте на определение времени выхода на рабочую яркость опрос осуществляется один раз в секунду с усреднением 1000 отсчетов за 100 мс.
Если нет специальных оговорок, то за максимальную яркость принимается яркость, которая достигается через 10 мин после включения лампы. При этом за время старта принимается время достижения 10% от максимальной яркости, а за время выхода на рабочий режим — время достижения 60% от максимальной яркости.
Энергетические характеристики
Потребляемая мощность и коэффициент мощности, как уже было сказано, определяются с помощью измерителя мощности Metrix PX110.
Для определения светового потока используется специально сконструированный сферический фотометр или интегрирующая сфера.
Отметим, что световой поток — это одна из самых важных характеристик света, которая, упрощенно говоря, показывает, сколько видимого света в совокупности излучает лампа по всем направлениям. В измерительном окне интегрирующей сферы устанавливается измерительная головка люксметра TES-1334, показания которого пересчитываются в величину светового потока.
Порядок проведения измерений такой:
Лампа закрепляется в патроне, при этом по необходимости регулируется длина отрезка стойки внутри сферы так, чтобы экран перед измерительным окном предохранял измерительную головку люксметра от прямого попадания света от тестируемой лампы. Лампа подключается к источнику питания и выдерживается 10 минут при открытой сфере, затем сфера закрывается, и еще через 10 минут записываются показания люксметра и измерителя мощности. Полученные данные позволяют рассчитать световую отдачу (лм/Вт), разделив световой поток на потребляемую мощность.
Для определения силы света лампа закрепляется на штативе цоколем вниз так, что расстояние от определяемого на глаз центра колбы до измерительной плоскости головки люксметра, горизонтально лежащего на столе, составляет 1 м. В этих условиях полученное значение освещенности в люксах численно соответствует силе света (в кд) в осевом направлении. Считывание показаний люксметра производится после выхода лампы на максимальную яркость (то есть через 10 минут после включения, если показания перестают меняться). Значение силы света показывает, как ярко светит лампа в данном направлении. Полученные данные позволяют рассчитать коэффициент осевого направленного действия, который показывает насколько ярче светит лампа в осевом направлении по сравнению с точечным источником, равномерно испускающим свет по всем направлениям, имеющим аналогичный световой поток. Коэффициент осевого направленного действия получается делением силы света тестируемой лампы на силу света описанного выше точечного источника, которая рассчитывается делением светового потока тестируемой лампы на 4·пи.
Как правило, основной целью источника света является создание определенной освещенности в заданном месте, например на плоскости стола. Освещённость прямо пропорциональна силе света источника света. Как уже отмечено выше полученное значение силы света (в кд) численно равно освещенности в люксах (лк) на расстоянии 1 м от центра колбы в направлении оси лампы. При удалении лампы от освещаемой поверхности её освещённость уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Поэтому, чтобы определить освещенность на заданном расстоянии от лампы нужно полученное значение силы света разделить на квадрат расстояния (в м). Требования к уровням освещенности изложены в документе «Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий». Из этого документа, например, можно узнать, что для жилых помещений освещенность должна составлять от 30 лк (кладовые, подсобные), до 300 лк (кабинеты, библиотеки).
Колориметрические характеристики
Основным прибором на этом этапе тестов служит спектрофотометр X-Rite ColorMunki Design
оба от компании X-Rite, для работы с которыми применяется комплект программ Argyll CMS. Условия проведения теста аналогичны описанным выше при определении силы света. Результатами являются цветовая температура, ΔE и индекс цветопередачи (Ra или CRI).
Чем выше цветовая температура, тем свет «холоднее», то есть сильнее сдвинут с синюю область, чем ниже цветовая температура, тем свет «теплее», то есть сильнее сдвинут в желто-красную область. Характеристика ΔE показывает белизну света, фактически, чем больше ΔE, тем больше избыток или недостаток зеленой компоненты для полученной цветовой температуры. Индекс цветопередачи показывает насколько адекватно выглядят цветные предметы при освещении данным источником света. Рассчитывается этот параметр из спектра излучения источника света. Однако данный параметр имеет некоторые недостатки, в частности возникают большие сомнения относительно того, насколько хорошо он отражает реальную ситуацию при использовании светодиодных источников света. Тем не менее, индекс цветопередачи является общепризнанным параметром, и, несмотря на многочисленные попытки найти ему замену, чаще всего используется именно эта величина. На случай, если возникнет необходимость рассчитать альтернативные параметры, в результатах тестирования будет приводиться таблица со спектральными данными.
Приложение. Краткое описание конструкции и методики калибровки сферического фотометра.
Основой сферического коня фотометра послужили две изготовленные на заказ полусферы из оргстекла диаметром 42 см. Внутренняя поверхность сферы и экран, закрывающий измерительную головку люксметра от прямого света тестируемой лампы были в несколько слоев покрашены матовой белой акриловой краской.
Сферический фотометр до покраски с установленной для примера люминесцентной лампой
И после.
Для определения светового потока нужно показания люксметра умножать на характерный для данной сферы коэффициент. Чтобы определить этот коэффициент необходимо произвести измерения для источника света с известным световым потоком. Как правило, для этого используются специальные предварительно калиброванные светоизмерительные лампы. Однако поначалу мы безрезультатно пытались достать такие лампы, а когда наметились пути решения этого вопроса выяснилось, что это потребует существенных финансовых затрат на собственно приобретение светоизмерительных ламп и последующую их калибровку. На данном этапе мы посчитали такие траты нерациональными, поэтому уже почти смирились с тем, что наши измерения будут относительными или, к примеру, привязанными к выбранной лампе, для которой производитель (заслуживающий наибольшего доверия) указал паспортный световой поток.
На выручку пришел опыт, полученный при тестировании проекторов, для которых мы определяем световой поток. Если эта характеристика известна, то может попытаться использовать проектор в качестве эталонного источника света? К сожалению, типичные проекторы, в которых установлена ртутная газоразрядная лампа даже если и поместятся внутри нашей интегрирующей сферы, то уж точно аварийно завершат работу, как только мы сферу закроем, перекрыв тем самым доступ наружного воздуха, необходимого для охлаждения лампы проектора. По счастью в нашем распоряжении оказался миниатюрный светодиодный проектор Vivitek Qumi Q2 (за что мы выражаем благодарность компании «Цифровые Системы»).
Практически весь световой поток, излучаемый проектором, расходуется на освещение области проекции, имеющей четкие границы. Проинтегрировав освещенность области проекции по ее площади, мы получим световой поток проектора. Собственно так и предполагается делать согласно методике ANSI, по которой мы проводим тестирование проекторов. В данном случае методика ANSI не очень подходит, так как она подразумевает использование всего 9 точек и не учитывает падение освещенности вблизи границ области проекции. Поэтому для измерения освещенности на области проекции мы использовали сетку из 165 точек, расположенных с фиксированными шагами по вертикали и по горизонтали. Определив реальный световой поток данного проектора, мы закрепили его на стойке внутри сферы, закрыли ее и считали показания люксметра. Данная процедура позволила откалибровать наш сферический фотометр. В дальнейшем для быстрой проверки мы можем использовать одну из протестированных светодиодных ламп, чьи характеристики не должны существенно меняться с течением времени при минимальных сроках наработки, или, если возникнет такая необходимость, мы можем повторить всю процедуру калибровки с использование светодиодного проектора.
Приложение 2. Учет спектральных характеристик сферического фотометра.
Можно предположить, что сферический фотометр имеет неидеальные спектральные характеристики, и что это отклонение от идеала может повлиять на получаемые значения светового потока в случае, если спектр излучения измеряемого источника значительно отличается от спектра источника, использованного при калибровке фотометра. В таком случае необходимо проводить соответствующую корректировку. Попробуем определить, что для этого нужно и как ее выполнять.
Обозначения:
A·B — скалярное умножение двух векторов;
K×A — умножение вектора или числа A на число K;
A*B — поэлементное умножение двух векторов;
I — относительная спектральная чувствительность люксметра (вектор);
S(E) — относительное спектральное распределение энергии излучения эталона (вектор);
S(S) — относительное спектральное распределение коэффициента отражения фотометра (вектор);
S(T) — относительное спектральное распределение энергии излучения измеряемого источника (вектор);
F(E) — световой поток эталона (число);
F(ES) — показания люксметра для эталона в фотометре (число);
F(T) — световой поток измеряемого источника (число);
F(TS) — показания люксметра для измеряемого источника в фотометре (число);
K(S) — коэффициент фотометра (число).
Световой поток эталона:
F(E) = k×S(E)·I, где k — некий коэффициент.
Показания люксметра для эталона в фотометре:
F(ES) = (k×S(E))*(K(S)×S(S))·I.
Соотношение F(ES) / F(E) определяется при калибровке фотометра, что позволяет рассчитать коэффициент фотометра K(S):
K(S) = (F(ES)/F(E))×((S(E)·I)/((S(E)*S(S))·I)).
Теперь, зная K(S), показания люксметра для измеряемого источника в фотометре (F(TS)) и спектр измеряемого источника (S(T)), можно рассчитать скорректированное значение светового потока измеряемого источника (F(T)):
F(T) = (F(TS)/K(S))×((S(T)·I)/((S(T)*S(S))·I)).
Заметим, что в данных вычислениях можно использовать относительные спектры, нормированные или ненормированные, так как коэффициенты нормировки в любом случае сокращаются. Для единообразия мы использовали спектры, нормированные на 1, то есть сумма всех элементов соответствующих векторов равнялась 1. Спектры мы представляли в виде массивов значений относительных величин (коэффициентов или интенсивностей) соответствующих длинам волн от 350 до 740 нм с шагом 10/3 нм, то есть по 118 точек в соответствии с данными, получаемыми при использовании спектрофотометра i1Pro 2. При необходимости спектральные данные пересчитывались к данной сетке длин волн, а избыточные или недостающие значения по краям этого диапазона или отбрасывались или приравнивались к 0.
Спектры эталона S(E) и измеряемого источника S(T) можно получить непосредственно с помощью спектрофотометра. Для определения отклика I используемого нами люксметра TES-1334A можно предположить, что его спектральная чувствительность близка к идеальной зависимости (по крайней мере, так утверждает производитель). В качестве последней можно взять кривую Y в модели CIE XYZ 1964 года (данные доступны на сайте этой организации). На рисунке ниже показана зависимость CIE 1964 для яркостной (Y) компоненты, а в качестве примера приведена кривая отклика фотодиода BPW21R производства Vishay Semiconductors, который используется в некоторых наших и не только наших измерительных устройствах.
.png)
Световой поток эталона F(E), показания люксметра для эталона в фотометре F(ES) и показания люксметра для измеряемого источника в фотометре F(TS) определяются при калибровке фотометра или непосредственно во время измерений, из неизвестных величин остается только относительное спектральное распределение коэффициента отражения фотометра S(S). Для определения этого спектра мы с помощью спектрофотометра, установленного в светоизмерительное окно фотометра, получили спектр лампы накаливания в шаре, а затем получили спектр этой лампы вне шара (фотометра), поместив ее на таком расстоянии, чтобы освещенность светоизмерительной головки спектрофотометра примерно равнялась ее освещенности при получении предыдущего спектра. Разделив поэлементно спектр в шаре на спектр вне шара и проведя нормировку мы получили спектр отражения фотометра. На рисунке ниже приведены относительные спектры лампы в шаре, вне шара и коэффициента отражения фотометра:
Если сопоставить со спектром чувствительности зрения человека (см. предыдущий рисунок), то можно сделать вывод, что в диапазоне высокой чувствительности два спектра лампы различаются не очень сильно, а коэффициент отражения фотометра изменяется на относительно небольшую величину. То есть, возможно, коррекция результатов не нужна. Это предположение также подтверждается тем, что разница между цветовой температурой света лампы вне шара и в шаре составляет менее 200 К (2589 К − 2499 К = 90 К). Тем не менее, спектр S(S) мы получили, что позволило нам рассчитать скорректированные значения светового потока для ламп различного типа. Расчеты выполнялись в специально созданном файле Microsoft Excel, пример такого файла прилагается.
Оказалось, что для всех побывавших у нас на тестировании ламп (накаливания, люминесцентных и светодиодных) рассчитанные значения светового потока с учетом спектра отражения фотометра были всего на 0,4-2,6% меньше значений, полученных с использованием простого коэффициента фотометра. В качестве иллюстрации приведем спектр эталона, использованного при калибровке фотометра:
Спектр лампы с наименьшей по абсолютной величине поправкой на 0,4%:
Спектр лампы с наибольшей по абсолютной величине поправкой на 2,6%:
Как и следовало ожидать, чем больше спектр лампы похож на спектр эталона, тем меньше абсолютная величина поправки. Однако в целом эти поправки слишком незначительны, чтобы данную корректировку имело смысл вообще выполнять.
за предоставленный комплект X-Rite i1Publish Pro 2
