فناوری روشنایی – مؤلفه‌ها و اصطلاحات کلیدی

طراحی یک سامانه روشنایی مؤثر نیازمند آشنایی با اصول و اجزای کلیدی در فناوری روشنایی است. مفاهیمی همچون شدت روشنایی، بهره نوری، و ضریب نگهداری از جمله پایه‌های مهم در این حوزه به‌شمار می‌آیند.

شار نوری  φ

شار نوری نشان‌دهنده کل نور ساطع‌شده از یک منبع نور در تمامی جهات است و با واحد لومن (lm) اندازه‌گیری می‌شود. این مقدار یا با استفاده از تجهیزات تخصصی اندازه‌گیری شده یا از طریق روش‌های محاسباتی محاسبه می‌گردد.

شار نوری معیاری برای نمایش کل روشنایی یک منبع نور است؛ روشنایی‌ای که توسط چشم انسان درک می‌شود و مطابق با حساسیت طیفی چشم، با منحنی استاندارد V(λ) (بر اساس استاندارد DIN5031-1) سنجیده می‌شود.

در دوران مدرن و با ظهور LEDهای کارآمد، واحد لومن به‌تدریج جایگزین معیار مصرف انرژی (وات) شده که در گذشته برای تعیین روشنایی یک لامپ به کار می‌رفت. شار نوری چراغ (برخلاف شار نوری لامپ) نمایانگر میزان تلفات نوری ناشی از طراحی چراغ است.

 

شدت نور  I

برای تحلیل نحوه توزیع نور در یک سامانه روشنایی، صرف دانستن شار نوری کافی نیست. شدت نور میزان شار نوری ساطع‌شده در یک جهت خاص است و با واحد کندلا (cd) بیان می‌شود.

الگوی توزیع شدت نور در لامپ‌ها و چراغ‌های رفلکتوردار با استفاده از نمودارهای قطبی، معروف به منحنی‌های توزیع شدت نور (IDCs)، نمایش داده می‌شود.

شدت روشنایی   E

شدت روشنایی بیان می‌کند چه مقدار نور به یک سطح معین می‌تابد و از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

E = \frac{φ}{A}

که در آن φ شار نوری و A مساحت سطح روشن‌شده است. واحد شدت روشنایی لوکس (Lux یا Lx) است.

شدت روشنایی را می‌توان به‌راحتی با استفاده از دستگاه «لوکس‌متر» اندازه‌گیری کرد. در محیط‌هایی مانند دفاتر کاری، سطح کار (مثلاً سطح میز) به‌عنوان مرجع روشنایی افقی محسوب می‌شود. در شرایط خاصی نظیر بررسی چهره یا سطوح شیب‌دار، روشنایی عمودی اهمیت بیشتری می‌یابد.

درخشندگی L

درخشندگی، یکی از مؤلفه‌های قابل درک برای چشم انسان است و به تأثیر نور برگشتی از سطح بستگی دارد. این مؤلفه با واحد کندلا بر مترمربع (cd/m²) اندازه‌گیری می‌شود و تابع رنگ، جنس سطح و ضریب بازتاب آن است.

در طراحی روشنایی بیرونی، درخشندگی نقشی کلیدی دارد. برای سطوح کاملاً مات، درخشندگی از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

L=(ρ⋅E)/π

که در آن ρ ضریب بازتاب و E شدت روشنایی است.

بهره نوری

بهره نوری، نسبت شار نوری تولیدشده به انرژی مصرف‌شده است و با واحد لومن بر وات (lm/W) سنجیده می‌شود. این شاخص، بازدهی یک منبع نور را نشان می‌دهد؛ هرچه مقدار آن بیشتر باشد، کارایی منبع نور بالاتر است.

در عمل، بهره نوری به کل سامانه روشنایی بستگی دارد: منبع نور، چراغ، اجزای اپتیکی و منبع تغذیه. نمودارهایی که برای LEDها ارائه می‌شود معمولاً تحت شرایط آزمایشگاهی به‌دست آمده‌اند و در شرایط واقعی لزوماً قابل‌دستیابی نیستند.

خیرگی (Glare)

خیرگی، عاملی مزاحم و آزاردهنده است که می‌تواند به‌طور مستقیم از منبع نور یا به‌صورت غیرمستقیم از بازتاب سطوح براق ایجاد شود.

عوامل مؤثر بر خیرگی:

• اندازه و درخشندگی منبع نور
• موقعیت منبع نور نسبت به ناظر
• میزان روشنایی محیط و پس‌زمینه

برای کاهش خیرگی می‌توان از چراغ‌های با موقعیت مناسب، سطوح مات و رنگ‌های روشن در طراحی داخلی استفاده کرد، اما حذف کامل آن ممکن نیست.

در خیابان‌ها، پیشگیری از خیرگی مستقیم برای ایمنی جاده‌ها حیاتی است. در فضاهای کاری، جلوگیری از خیرگی بازتابی روی نمایشگرها اهمیت دارد (برای اطلاعات بیشتر، به مقاله “مهار خیرگی مستقیم” مراجعه کنید).

ضریب بازتاب

ضریب بازتاب، نسبت نور بازتاب‌شده از یک سطح به نور تابیده‌شده به آن است و به‌صورت درصدی بیان می‌شود. این شاخص در محاسبات روشنایی داخلی اهمیت زیادی دارد.

سطوح تیره به روشنایی بیشتری نیاز دارند، در حالی‌که سطوح روشن با شدت نور کمتر، همان روشنایی ظاهری را ایجاد می‌کنند. در طراحی روشنایی خیابانی نیز، به‌ویژه در جاده‌های فرسوده، بازتاب جهت‌دار نور باید در نظر گرفته شود.

شدت روشنایی نامی،   ، و درخشندگی نامی،  

این دو پارامتر نمایانگر میانگین مقادیر شدت روشنایی و درخشندگی در یک فضا یا سطح مشخص هستند که در طراحی‌های مهندسی روشنایی به‌کار می‌روند و در تعیین کیفیت نوری یک فضا مؤثرند.

ضریب طراحی، MF، در طراحی روشنایی

شدت روشنایی و درخشندگی سامانه روشنایی با افزایش عمر استفاده از آن به دلیل کهنگی و چرک شدن لامپ‌ها، چراغ‌ها و همچنین غبار گرفتگی سطوح اتاق کاهش می‌یابد.

طبق استانداردهای هماهنگ شده اروپایی، لازم است بین طراحان و کاربران سامانه روشنایی درباره ضریب طراحی توافق صورت گیرد و مقدار آن مستند شود؛ همچنین برنامه‌ای برای تعمیر و نگهداری سامانه روشنایی تهیه گردد.

«حداقل میزان مجاز» و «ضریب طراحی» تعیین‌کننده مقدار شدت روشنایی سامانه در شروع بهره‌برداری هستند:

حداقل شدت روشنایی مجاز = شدت روشنایی در شروع بهره‌برداری * ضریب طراحی

یکنواختی

اختلاف شدید روشنی در یک محیط چشم را تحت فشار قرار می‌دهد. به همین دلیل است که در استاندارد DIN EN 12464 برای هر کار بصری، سطح مشخصی از یکنواختی در شدت روشنایی تعیین شده است. یکنواختی (Uo) به‌صورت نسبت حداقل شدت روشنایی به میانگین آن (Uo = Emin/E) یا، در روشنایی معابر، به‌صورت نسبت حداقل درخشندگی به میانگین آن (Uo = Lmin/L) تعریف می‌شود. به عنوان مثال، در استاندارد DIN EN 12464-1، سقف و دیوارها به میزان حداقل 1/0 از شدت روشنایی نیاز دارند.

طول عمر

طول عمر لامپ معمولاً برحسب ساعت تعیین می‌شود و برای LEDها، لامپ‌های تخلیه در گاز پرفشار و همچنین برای لامپ‌های مهتابی و لامپ‌های کامپکت فلورسنت (لامپ کم‌مصرف) به عنوان طول عمر نامی اعلام می‌شود.

همه منابع نوری مذکور دچار افت کیفیت می‌شوند؛ یعنی در طول زمان استفاده از آن‌ها، روشنایی کاهش می‌یابد. بنابراین، طول عمر نامی (که با حرف L نشان داده می‌شود) زمانی را توصیف می‌کند که در طی آن شار نوری منبع به مقدار مشخصی کاهش می‌یابد. برای روشنایی عمومی مقدار متعارف L80 یا L70 است؛ بنابراین، یک LED زمانی به میانگین طول عمر نامی خود می‌رسد که شار نوری آن به ۷۰ درصد مقدار اولیه در زمان شروع استفاده کاهش یابد.

اساساً افت کیفیت و خرابی در LEDها به واسطه جریان عبوری و دمای داخل LED مشخص می‌شود. در ماژول‌های LED، سیم‌کشی الکتریکی، دمای محیط، دمای زمان کارکرد و برخی دیگر از ویژگی‌های ماژول در افت کیفیت و خرابی نقش دارند

استانداردهای روشنایی

استانداردها، الزامات پایه و شاخص‌های کیفی لازم برای طراحی و اجرای سیستم‌های روشنایی را مشخص می‌کنند. در حال حاضر، اغلب استانداردهای اروپایی (EN) در سراسر اروپا به‌طور یکپارچه مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مهم‌ترین استانداردهای اروپایی در حوزه روشنایی عبارت‌اند از:

• DIN EN 12464 – روشنایی محل کار:

مشخص‌کننده الزامات روشنایی برای فضاهای داخلی و خارجی کاری با هدف افزایش ایمنی، آسایش و بهره‌وری.

• DIN EN 13201 – روشنایی معابر:

شامل دستورالعمل‌هایی برای طراحی روشنایی خیابان‌ها، جاده‌ها، پیاده‌روها و معابر عمومی با در نظر گرفتن ایمنی و دید مناسب.

• DIN EN 12193 – روشنایی اماکن ورزشی:

تعیین‌کننده معیارهای روشنایی برای سالن‌ها و فضاهای ورزشی سرپوشیده و روباز با توجه به نوع فعالیت ورزشی و حضور تماشاگر.

• DIN EN 1838 – روشنایی اضطراری:

مرتبط با تأمین روشنایی در مواقع اضطراری مانند قطع برق، برای هدایت ایمن افراد به خروجی‌ها و مسیرهای فرار.

• DIN EN 12665 – اصول و تعاریف پایه:

تعریف‌کننده مفاهیم اساسی، شرایط مرجع و معیارهای کلی مورد نیاز برای سایر استانداردهای روشنایی