Luumen ja kandela

Tämä insinööritasoinen artikkeli on tehty vuonna 2006, kun Limic Oy suunnitteli omaa LED valoaan ja suunnitteluinsinööörit pyörittelivät näitä lukuja valomäärän määrittelemiseksi.

Valon voimakkuuden mittana käytetään myös suuretta, jossa ilmaistaan valomäärä pinta-alaa kohden. Tämä valomäärä mitataan yleensä neliömetriä kohden ja siitä käytetään nimitystä valastisvoimakkuus ja yksikkö on lux.

Kandela [cd] on SI-järjestelmän mukainen mittayksikkö perussuureelle valovoima, jota nimitetään myös valon intensiteetiksi ja valon voimakkuudeksi. Yksi kandela on sellaisen säteilijän valovoima, joka lähettää tiettyyn suuntaan monokromaattista sähkömagneettista säteilyä (esim. valoa) ja jonka säteilyintensiteetti tähän suuntaan on määritelmän mukainen. 1 kandela vastaa suurin piirtein tavallisen kynttilän (lat. candela) valovoimaa. Kandela ei ole yleisesti kovin käyttökelpoinen suurre valaistussuunnittelussa.

Luumen [lm]. LED valojen (kuten moninen muidenkin valolähteiden) valovirran määrä (luminous flux, F) ilmaistaan lumeneina [lm]. Luumen [lm] on SI-järjestelmän mukainen valovirran yksikkö. Valovirta, tuttavallisemmin myös “valonmäärä”, on fotometrian suure, joka kuvaa, kuinka paljon näkyvää valoa valonlähde säteilee kokonaisuudessaan.
Luumen on määritelmänsä mukaan se valon määrä, jonka valovoimaltaan kandelan valonlähde säteilee steradiaanin avaruuskulmaan: tämä valon määrä lankeaa metrin päästä kartion pohjalle, jonka (pallomainen) pinta-ala on neliömetri.

Kun tämä valovirran määrä osuu johonkin pinnalle, se alkaa “loistamaan”. Tämä näkyy valona. Valon kirkkaus määritellään valovirran voimakkuutena pinta-alayksikkö kohden (E), yleensä neliömetriä. Tätä kutsutaan myös valasitusvoimmakkuudeksi, lux. 1 lux = 1 lm/m².

Luumen on hyvä suurre käytettäväksi valaistussuunnittelussa.

Vanha yksikkö oli lumen per neliötuuma tai toisella nimellä foot-candela. Tätä mittayksikköä ei enään käytetä, mutta se kummittelee vielä useissa paikoissa.

Jos valovirran määrä (luminus flux, F) vastaa valon määrää pinta-alalla (A), niin valon voimakkuus E voidaan määritellä kaavalla:

E = F ÷ A

Huomaa, ettei suurin osa valolähteistä lähetä valoa tasaisesti joka suuntaan, vaan ne ovat usein suuntaavia. LED valot ovat tyypillisesti erittäin suuntaavia, kuten monet halogeenispotit. Niinpä valon voimakkuus pitää määritellä johonkin tiettyyn suuntaan valolähteen etäisyydestä riippumatta. Jos hiukan pyöritellään teoriaa ja kaavoja, niin lopputuloksena saadaan Candelan (cd) määritelmä.

Kandela on valonlähteen valovirran määrä (lm) tiettyyn suuntaan (avaruuskulma). Suunta määritellään kulmamitalla radiaani (sr). Saamme siis:

1 cd = 1 lm/sr

Laskuesimerkki

Esimerkiksi 100 W hehkulamppu tuottaa 1200 lm:n valovirran määrän (vertaa 14,4 W/m LED-nauhan 1380 lm/m). Lasketaan valonmäärä 1 m ja 5 m päässä valolähteestä

Ratkaisu:

Pinta-ala 1 m päässä on:

(2[pi])(1 m)² = 6.28 m²

Valomäärä 1 m etäisyydellä on:

E = 1200 lm * 6.28 m² = 191 lm/m² = 191 lux

Samalla tavalla voidaan laskea valomäärä 5 m etäsyydellä:

E = 1200 lm * 157 m² = 7.64 lm/m² = 7.64 lux

Tämä on pienempi lukuarvo kuin mitä saadaan kertoimella 5² verrattuna valomäärään 1 m etäisyydellä. Tämä kuvaa sitä, että valomäärä pienenee neliän käänteislukua enemmän.

Entä se Candela?

Muistetaan, että avaruuskulma on 2*[pi]*sr (Pi = 3,14)

Valon “kirkkaus” on siis

I = 1200 lm ÷ 2[pi] sr = 191 lm/sr = 191 cd.

Muista, ettei valon “kirkkaus” riippunut etäisyydestä.

Laskuesimerkki 2.

Veneen kulkuvalon polttimon tulee tuottaa 12 cd valomäärä. Kuinka suuri valovirran voimakkuus polttimoon vaaditaan?

Ratkaisu:

I = 12 cd * 2[pi] sr = 75,3 lm