Aydınlatmanın ve enerji verimliliğinin her geçen gün önem kazandığı günümüzde, teknolojinin de gelişmesiyle aydınlatma ürünlerinin nasıl ve hangi yöntemlerle test edildiği, hangi standartlara uygun cihazlar kullanıldığı bilgilerine olan gereksinim gün geçtikçe artmaktadır. Bu makalede, LED’li armatürlerin fotometrik özelliklerini belirlemede kullanılan yöntemler ve bu yöntemler sonucunda elde edilen veriler ele alınmaktadır.
Aydınlatmanın ve enerji verimliliğinin her geçen gün önem kazandığı günümüzde, teknolojinin de gelişmesiyle aydınlatma ürünlerinin nasıl ve hangi yöntemlerle test edildiği, hangi standartlara uygun cihazlar kullanıldığı bilgilerine olan gereksinim gün geçtikçe artmaktadır. LED’lerin teknoloji ile birlikte gelişmekte olan üstün özelliklerinin dışında farklı kullanım alanları için farklı özelliklerde olması LED’li armatürlerin fotometrik özelliklerini belirlemede optik testler önem kazanmaktadır. Bu makalede, LED’li armatürlerin fotometrik özelliklerini belirlemede kullanılan yöntemler ve bu yöntemler sonucunda elde edilen veriler ele alınmaktadır.
1. Giriş
LED, doğru yönde gerilim uygulandığı zaman elektrik enerjisini ışık enerjisine dönüştüren özel katkı maddeli PN diotlardır. Adını, “Lighting Emitting Diode” ingilizce kelimelerinin baş harflerinin bir araya getirilmesiyle oluşturulmuştur. Farklı kaynaklarda genel ismiyle SSL (Solid State Lighting) olarakta kullanılmaktadır.
Laboratuvar ortamında yapılan, ışık kaynaklarının karakteristik özelliklerini belirlemede kullanılan ölçümlere fotometrik ölçümler denir. Bir LED’in yada LED’li armatür/lambaların optik özelliklerini belirlemek için iki farklı cihaz kullanlır. Bu cihazlardan bir tanesi “Bütünleştirme Küresi (Integrating Sphere)” ve diğeri ise “Gonyofotmetre (Goniophotometer)”dir. Bu cihazlarla LED’li armatürlerin toplam ışık akısı, renk karakteristikleri, renk koordinatları, ışık şiddeti dağılımları ve daha bir çok parametre ölçülebilir [1].
LED’li armatürler için, bütünleştirme küresi ve gonyofotometre ile alınan ölçümlerin her ikisininde ayrı ayrı bir yeri vardır. Bütünleştirme küresi ile ışığın, toplam ışık akısı değerini, renk özellikleri, renk uzayındaki yerini vb. gibi daha çok ışığın teknik özellikleri belirlenirken, gonyofotometre ile ışığın dağılımı, dağılım ile ilgili özel açıların ölçülmesi ve bilgisayarda hesap ve tasarım yapılmasını sağlayacak teknik verilerin elde edilmesi için kullanılır.
2. Bütünleştirme Küresi
Bütünleştirme küresi ölçümlerinde detektör olarak spektroradyometre başlığı kullanılmaktadır.
Küre iç yüzeyi, yansıtma özelliği yaklaşık 1 olan ve tamamen mat bir boya ile boyanmakta ve küre içindeki detektörü, direk ışınlardan koruyan aynı boya ile boyalı ışığın diğer tarafa geçmesine engel olan farklı boyutlardaki levhalar (engeller) mevcuttur.
Resim 1: 2m çapında Bütünleştirme Küresi
Resim 2: Detektör ve detektöre direk ışığın gelmesini engelleyen levhalar.
Bu yöntemde, ölçümü yapılması istenen LED’li armatürün, toplam ışık akısı ve renk özellikleri bilinen halojen bir lamba ile karşılaştırılır. Bu lambaya “yardımcı lamba” denir. Yardımcı lamba olarak kullanılan ışık kaynağı genellikle halojen lamba olarak seçilir, bunun nedeni ise gün ışığına en yakın olmasından dolayıdır (CRI = 99,9).
Bütünleştirme küresi ile yapılan ölçümlerde iki farklı geometri kullanılır. Bu geometrilerden birtanesi, her yönde ışık yayabilen LED’li ışık kaynakları için kullanılırken (4π geometrisi), diğer yöntem ise sadece ileri yönde ışık yayabilen ışık kaynaklarını ölçmek için kullanılır (2π geometrisi).
2.1. Bütünleştirme Küresi İle Ölçülen Önemli Parametreler
Işık Akısı: Bir kaynaktan birim zamanda çıkan ısık miktarına ısık akısı denir. Işık şiddeti 1 cd olan noktasal bir kaynaktan 1m uzaklıktaki ve ışınlara dik 1m2 ’lik yüzeye gelen ışık akısı “lumen” olarak tanımlanmaktadır ve kısaca “lm” olarak gösterilmektedir.
Renk Sıcaklığı: Belli bir sıcaklıktaki siyah cismin ışıma rengi ile aynı renk koordinatlarına sahip ışık kaynağının sıcaklığına “Renk Sıcaklığı” denir. Renk sıcaklığı, LED’li ışık kaynağı ile siyah cismin aynı renkteymiş gibi algılanmasıdır.
Fotometrik ölçümlerde ölçülen ilişkili renk sıcaklığı (CCT), CIE (International Commission On Illumination) tarafından, sıcaklıkların ideal dağılımlara yakınlığını Kelvin cinsinden ifade edilmesini önermektedir
Tablo 1: Renk sıcaklığı skalası.
Renk Geri Verim Endeksi (CRI): Doğal nesnelerin belli bir ışık kaynağı tarafından aydınlatıldığında nasıl görüleceğini ifade eden genel bir göstergedir Işık kaynağı, renklerin mümkün olduğu kadar doğru algılanmasını sağlamalıdır. Burada gün ışığı %100 kabul edilir, diğer yapay ışık kaynakları farklı değerler içerebilir. Ölçme ve değerlendirme 14 renk üzerinden tek tek yapılır ve ortalaması alınır.
Resim 3: Renk geri verim endeksi değerleri.
Renksel geriverim endeksinin ölçü birimi Ra’dır ve ”gün ışığı” için bu değer 100’dür. Yapay ışık kaynaklarında bu endeks düşük olabilir. Endeks ne kadar düşükse, renksel geriverim de o kadar kötü demektir. Işık kaynağının renk spektrumu renksel geriverim için önemlidir.
Resim 4: Yüksek renk geri verim endeksinin nesneler üzerindeki etkisi.
Aydınlatmada ışık kaynaklarının CRI değeri kullanım yerlerine göre seçilir. LED’lerde sorun genellikle ”R9” ile tanımlanan kırmızı ve ”R13” ile tanımlanan ten renkleridir. Yüksek CRI değerde LED seçilirken özellikle ”R9” (kırmızı) değerinin yüksek olması tercih edilir.
3. Gonyofotometre
Gonyofotometre cihazı, bir ışık kaynağının ışık şiddeti dağılımını ve bu dağılımdan toplam ışık akısını hesaplamak için kullanılmaktadır.
Gonyofotometre ölçümü, aydınlatma armatür yada lambaların bir, iki ve üç boyuttaki dağılımını, hangi yöne hangi açılarda ne kadar ışık akısı gönderdiğini ve bu ölçümlerden de parıltı diyagramlarını, UGR (Unified Glare Ratio) olarak tanımlanan kamaşma tablolarını ve özel aydınlatmadaki özel açılarının hesaplanmasını sağlar [2].
Gonyofotometre ölçümleri sonucunda IES ve LDT uzantılı ölçüm dosyaları elde edilir. Aydınlatma tasarımcıları bu dosyaları, optik simülasyon programlarının yardımı ile armatürlerin uygulanması planlanan alanlardaki istenen aydınlık düzeyi seviyelerini değerlendirmek için kullanmaktadırlar.
Resim 5: B tipi Gonyofotometre.
3.1. Gonyofotometre İle Ölçülen Önemli Parametreler
Işık Şiddeti: Bir kaynağın, birim zamanda yaydığı ışığa denir. Birimi candela’dır (cd).
Aydınlık Düzeyi: Birim alanda birim yüzeye düşen ışık akısı miktarıdır. Birimi Lux’tur (lx).
Parıltı: Birim alandan belli bir doğrultuda geçen ışık şiddetidir. Birimi cd/m2’dir.
Işık Düzeyi, Aydınlık düzeyi ve Parıltı arasında fotometrik bağlantılarla geçişler mevcuttur. Aşağıdaki tabloda tüm bu parameterelere ait diğer birimler bulunmaktadır [3].
Tablo 2: Gonyofotometre ölçüm birimleri.
4. Örnek Armatür Testi
VESTEL LED Aydınlatma Optik Laboratuvarı’nda tüm LED’li ve LED’li olmayan aydınlatma armatürleri ölçülebilmektedir. Optik, elektronik ve mekanik olarak tamamen VESTEL’de tasarlanan LED’li armatürlerin tasarım, pilot ve üretim aşamalarındaki tüm fotometrik ölçümleri bu laboratuvarda alınmaktadır.
Test edilecek ürünler, uluslar arası standardlara uygun şekilde stabil olana kadar çalıştırıldıktan sonra bütünleştirme küresi ve gonyofotometrede test edilmektedir [4, 5].
Resim 6: VESTEL M4 Street Light ürününün Bütünleştirme Küresi’ndeki konumu.
Bütünleştirme küresine, dedektöre direk ışık gelmeyecek şekilde monte edilen stabil ürün, bütünleştirme küresinin kendi yazılımı ile test edilir ve sonuçlar raporlanır. Elde edilen ölçüm değerleri aşağıdaki gibi örneklendirilebilir.
Tablo 3: Bütünleştirme küresi ölçüm tablosu.
Aynı ürün gonyofotometreye monte edilerek yine cihazın kendi yazılımı ile ölçüm yapılır. Laboratuvarımızda yapılan testler “TS EN 13032-1” standardına uygun olarak yapılmaktadır.
Gonyofotometre kullanılarak elde edilen ayrıntılı fotometrik bilgiler raporlanmaktadır. Bu raporda,
gibi ürüne özel karakteristik fotometrik bilgiler elde edilir.
Tablo 4: Açıya bağlı ışık şiddeti tablosu.
Resim 7: Işık dağılım grafiği (Polar diyagram).
Tablo 5: Kamaşma (UGR) tablosu.
Resim 8: Aydınlık düzeyi diyagramı.
Bütünleştirme küresi ve gonyofotometre ile yapılan ürün testleri sonucunda elde edilen özel karakteristik fotometrik bilgiler ile, ürünün hedeflenen değerlere ulaşıp ulaşmadığı, hangi kompenentlerin armatürün verimliliğini nasıl değiştirdiği özel hesaplamalar ve simulasyon programları ile incelenerek LED paketleri ve diğer optik komponentlerin seçilmesi sağlanır.
Ürünlerde kullanılan led, lens, reflektör, çerçeve, yayıcı levha, cam vb. komponentlerle yapılan farklı test sonuçları değerlendirilerek ve titizlikle incelenerek o ürün için kullanılacak komponentlere karar verilir.
5. Sonuç
LED’li aydınlatma armatürlerinin kullanım alanlarının ve teknik özeliklerinin teknoloji ile her geçen gün geliştiği günümüzde, LED yada LED’li armatürlere ait teknik verilerin ve ürünlerin karakteristik özelliklerinin belirlenmesi için test metodları, kullanılan cihazlar ve programlar oldukça önemlidir.
Özellikle, LED’li armatür tasarım aşamasında kullanılan LED paketlerin ve diğer optik komponentlerin özelliklerinin belirlenmesi, ürünün uygulanacak olan alandaki gerekli aydınlık seviyelerini elde etmede ve verimli şekilde kullanılmasına yardımcı olmaktadır. Söz konusu fotometrik cihazlar sayesinde hem enerji verimliliği sağlanmakta hem de aydınlatılacak alana en uygun optik çözümler belirlenmektedir.
VESTEL LED Aydınlatma Test Laboratuvarımız, TÜRKAK tarafından 29.06.2015 tarihinde TS EN ISO/IEC 17025:2012 standardına göre ilk “TS EN 13032-1 Işık ve Aydınlatma – Lambaların ve Armatürlerin Fotometrik Verilerinin Ölçülmesi ve Sunulması – Bölüm 1 : Ölçme ve Dosya Biçimi”standardına göre akredite edilmiş olup, 14 Kasım 2017 tarihi itibariyle “TS EN 13032-2 Işık ve aydınlatma – Lambaların ve armatürlerin fotometrik verilerininin ölçülmesi ve sunulması – Bölüm 2: İç ve dış mekan iş yerleri için verilerin sunulması , TS EN 13032-3 Işık ve aydınlatma – Lambaların ve armatürlerin fotometrik verilerininin ölçülmesi ve sunulması – Bölüm 3:İş yerlerinin acil durum aydınlatması için verilerin sunulması , TS EN 13032-4 Işık ve aydınlatma – Ölçme ve lambaları ve armatürlerin fotometrik verilerin sunumu – Bölüm 4: LED lambalar, modülleri ve armatürler ve IESNA LM-79-08 LED Aydınlatma Armatürleri için Elektriksel ve Fotometrik Ölçümler ve Raporlama standardlarıyla kapsam genişletilmiştir.
Akredite olduğumuz standardlar, ölçüm ve optik veriler ile ilgili bize yol gösterici olmakla birlikte optik test sonuçlarımızın ve kalitemizin ulusal ve uluslararası geçerliliği mevcuttur.
Kaynaklar
[1] IES LM-79-08, IESNA Approved Method for the Electrical and Photometric Measurements of SolidState Lighting Products.
[2] ANSI C78-377, Specifications for the Chromaticity of Solid State Lighting Products.
[3] Prof. Dr. Sermin Onaygil “Fotometrik Büyüklükler ve Aralarındaki Bağıntılar”
[4] A.K.Türkoğlu, Flüoresan Lambaların Tayfsal Özelliklerinin CIE Normlarına Göre Belirlenmesi, V.Ulusal Aydınlatma Kongresi, İstanbul, 8 Ekim 2004
[5] CIE 18.2, Basis of Physical Photometry, 1983.
[6] Introduction to Light Emitting Diode Technologhy and Application, Gilbert Held, 2009
[7] Lighting Emitting Diodes, Second Edition, E. Fred Schubert, Cambridge Unv. Press
[8] Katı Hal Aydinlatma ve LED Standartlarındaki Gelişmeler, M. Berker Yurtseven, Sermin Onaygil
