Světelná účinnost zdrojů světla (žárovky, kompaktní zářivky, výbojky a dalších)

Množství světla, které vydává zakoupená žárovka, zářivka, úsporná žárovka (přesněji kompaktní zářivka) nebo jakýkoliv jiný zdroj světla, se udává v jednotkách světelného toku lumenech (značka lm), řidčeji v kandelách (značka cd). Výrobci dnes zpravidla tento údaj uvádějí na obalu, např. pro obyčejnou žárovku 100 W udává výrobce PHILIPS světelný tok 1340 lm. Jen o málo nižší světelný tok 1230 lm, dáva úsporná žárovka s příkonem 21 W.

Množství lumenů, které svítidlo vysílá, je právě to, co si kupujeme. Kdežto údaj ve wattech, který je na obale svítidla také uveden, udává, co za svícení budeme platit. Je zřejmé, že rozumnou snahou je pořídit požadované množství světla za co nejméně peněz, tedy spotřebované elektřiny. Budeme tedy hledat svítidlo či více svítidel, která budou dávat co nejvíce lumenů na 1 watt elektrického příkonu.

Počet lumenů na jeden watt je důležitá veličina, která se jmenuje měrný světelný výkon a značí se P. Naopak, známe-li měrný světelný výkon a spotřebu světelného zdroje ve wattech, snadno - pouhým vynásobením obou číselných údajů - získáme tok světla v lumenech.

Měrný světelný výkon většiny světelných zdrojů ukazuje tabulka 1.

Tab. 1: Měrný světelný výkon P v lm/W a světelná účinnost K v % pro různé zdroje světla. Údaje pro wolfamové žárovky 60 W a 100 W odpovídají produkci značky PHILIPS (Polsko), která je běžně v našich obchodech. Známe-li energetický příkon zdroje ve W a vynásobíme jím měrný světelný výkon P v 2. sloupci, dostaneme celkový světelný tok zdroje v lm.

U některých zdrojů světla uvádějí výrobci místo měrného světelného výkonu v lm svítivost v kandelách cd). Měrný světelný výkon v lumenech získáme, když svítivost zdroje v cd vynásobíme prostorovým úhlem světelného kužele; tzn. číslem 2×π×(1-cos(α/2)), kde α je vrcholový úhel světelného kužele, do kterého zdroj svítí.

Následující tabulka umožňuje stanovit počet světelných zdrojů tak, abychom jimi pokryli optimální osvětlení pro požadovaný účel. Definice jednotek fotometrických jednotek kandela, lumen, lux, prostorový úhel atd. jsou uvedeny níže.

Tab. 2: Některá typická osvětlení v luxech a související intenzity světelného toku I ve W/m². Osvětlení v luxech (2. sloupec) získáme jako hodnotu intenzity světelného toku (3. sloupec) vynásobenou maximální světelnou účinností záření K_m = 680 lm/W.

Základní pojmy, veličiny a jednotky z fotometrie

Prostorový úhel ω, jednotka steradián, značka sr: Prostorový úhel se měří podle plochy, kterou kužel omezující prostorový úhel vytíná z kulové plochy jednotkovým poloměrem z vrcholu úhlu. Velikost prostorového úhlu, který vytne z kulové plochy o poloměru r plochu vrchlíku A, je pak dána vztahem ω = A/r². Plný prostorový úhel ω = 4πr²/r² = 4π steradiánů (sr).

Svítivost L, jednotka kandela, značka cd: Svítivost je světelný tok, který vyzařuje bodový zdroj do prostorového úhlu 1 steradián. Jde o skalární veličinu. Jednotka svítivosti kandela je v soustavě SI základní fotometrickou jednotkou. Jedna kandela je rovna 1/60 kolmé svítivosti čtverečního centimetru černého tělesa při teplotě tuhnoucí platiny (1 772 °C) za tlaku 1,01325·10⁵ Pa.

Světelný tok (někdy také světelný výkon) Φ, jednotka lumen, značka lm: Jeden lumen je světelný tok, vysílaný bodovým zdrojem do prostorového úhlu 1 steradián při svítivosti zdroje 1 cd. Světelný tok se vypočítá jako součin svítivosti a prostorového úhlu Φ, ve kterém světelný tok měříme, Φ = L·ω. Rozměr světelného toku je [Φ] = lm = cd·sr.

Pro teplotu tuhnoucí platiny (za podmínek z definice svítivosti) bylo na základě rozboru spektrální citlivosti lidského oka a z Planckova zákona spočteno, že tok viditelného světla, který definiční vzorek tuhnoucí platiny vyzařuje plochou 5,305·10^-3 cm² do (polo)prostoru nad ním, je v energetických jednotkách roven F_e = 0,00147 W. Velikost plošky byla záměrně zvolena tak, aby s ohledem na uvedené fotometrické definice byl její světelný tok právě Φ = 1 lm. Světelný tok lze vyjádřit jak v lumenech, tak ve wattech s převodní konstantou 1/K_m = 0,00147 W/lm, resp. K_m = 680 lm/W.

Měrný světelný výkon (angl. Overall luminous efficacy), značka P, jednotka lm/W je poměr světelného toku v lm k příslušnému zářivému toku ve W touž plochou pro libovolný zdroj světla.

Světelná účinnost záření (Overall luminous efficiency), značka K, bezrozměrné číslo je poměr světelného toku vyjádřeného ve W k příslušnému zářivému toku ve W touž plochou pro libovolný zdroj světla. Je v intervalu hodnot <0;1> a závisí na teplotě zdroje a pro chladné zdroje (teplota kolem 600 °C a níže) se blíží k nule. Platí tyto vztahy:

P = K · K_m

Φ = K · K_m · P_E,

kde P_E je elektrický příkon světelného zdroje ve W.
Měříme-li světelný tok v lumenech a výkon zářiče ve wattech, pak číslo K_m představuje maximální světelnou účinnost záření; jeho převrácení hodnota -1/K_m = 0,00147 W/lm – se proto nazývá minimální mechanický ekvivalent světla.

Osvětlení nebo osvětlenost E, jednotka lux, značka lx: Jeden lux je osvětlení 1 m² plochy rovnoměrným světelným tokem o velikosti jednoho lumenu.