13. Osvetlenie

Obsah

  1. Svietidlá
  2. Vlastnosti svietidiel
  3. Osvetlenie
  4. Vlastnosti svetla
  5. Linky
  6. Úlohy na opakovanie

1. Svietidlá

ŽIarovka obsahuje wolframové vlákno stočené do špirály, teplota 2 500 °C = 2 800 K., banka z obyčajného skla ktoré pohlcuje UV žiarenie, vyplnená plynom bez kyslíka. Účinnosť okolo 2 %. Tepelná zotrvačnosť vlákna zabezpečí že žiarovka nebliká pri napájaní striedavým prúdom.

Halogénová žiarovka obsahuje halogén (jód alebo bróm) ktorý ochladzuje vlákno a umožňuje použiť vyššiu teploty vlákna. Pri vyššej teplote má menej žlté svetlo a vyššiu účinnosť, orientačne 3 %. Banka je z kremenného skla, ktoré prepúšťa UV žiarenie. Vydží vyššiu teplotu, ale nesmie byť zamastené, napríklad dotykom prstov, aby sa neprehrialo vlákno a nezničila sa žiarovka.

Výbojka využíva elektrický výboj v inertných plynoch He, Ne, Ar, Kr, Xe alebo parách kovov - Na, Hg. Výbojka má chudobné spektrum obsahujúce aj nebezpečné UV-B žiarenie. Preto niektoré výbojky majú na vnútornom povrchu sklenej nádoby chemickú látku, luminofor, ktorá pohlcuje žiarenie a vysiela vlastné kvalitnejšie svetlo. Farba svetla potom závisí od použitého luminoforu. Účinnosť výbojok je orientačne 10 - 20 %. V bežných výbojkách, takzvaných žiarivkách, sa používa jedovatá ortuť, preto žiarivky ktoré vyhadzujeme treba odniesť neporušené do obchodu kde ich predávajú, určite ich nerozbíjať a nevyhadzovať do kontajnera.

LED (light emited diode = svetlo emitujúca dióda) je dióda ktorá obsahuje určité polovodičové zlúčeniny ktoré pri prechode prúdu svietia. Podľa konštrukcie delíme LED na 4 typy:

Slnko - na vonkajší kraj atmosféry kolmo dopadá kolmo priemerne 1 360 W/m2 slnečného žiarenia, toto číslo sa nazýva slnečná konštanta. Viditeľné svetlo predstavuje 45 % tohto žiarenia. Vplyvom pohltenia, odrazu, rozptylu svetla dopadne na povrch Zeme 47 % svetla. Zemský povrch je v kolmom smere priamo osvetľovaný maximálne 290 W/m2 svetla, to je 190 000 luxov. Zem je rotujúca guľa, priemerné dopadajúce slnečné žiarenie je 343 W/m2.

Chemické osvetľovacie zariadenia:

Pätice, najbežnejšie:

2. Vlastnosti svietidiel

Svetelný tok Φ

Svetelný tok je svetelný výkon zdroja svetla. Jednotka je lumen, lm.
1 lm = 1,46 mW
(Historická) definícia: 1 lumen je svetelný tok vyžarovaný do priestorového uhlu 1 steradiánu bodovým zdrojom, ktorého svietivosť je vo všetkých smeroch 1 kandela.

Účinnosť

Účinnosť sa vyjadruje v lumenoch na Watt, lm/W, alebo v percentách %:
1 lm/W = 0,146 %
1 % = 6,85 lm/W
100 % = 685 lm/W

svietidloúčinnosť %účinnosť lm/W
žiarovka2 %14 lm/W
halogén3 %21 lm/W
bežná žiarivka 12 % - 16 %80 - 110 lm/W
žiarivka T5 20 %140 lm/W
5 mm LED10 %70 lm/W
power LED20 %140 lm/W

Ekvivalent 100 W žiarovky:

  • halogén: 67 W
  • bežná žiarivka: 12 - 17 W
  • žiarivka T5: 10 W
  • 5 mm LED: 20 W
  • power LED: 10 W

Príklad: Vypočítajte svetelný tok 100 W žiarovky.

  • účinnosť žiarovky: 2 %
  • svetelný výkon žiarovky: 2 % . 100 W = 2 W
  • svetelný tok fi = 2 W / 0,00146 W = 1 360 lm

Príklady svetelného toku zariadení:

  • 100 W žiarovka: 1360 lm
  • 60 W žiarovka: 710 lm
  • 25 Watt hálogénová žiarivka: 260lm
  • LED Cree X-RE R2 biela LED: 242lm@1000mA
  • 5mm/Superflux LED: 5lm
  • T8 15 Watt neon: 1350lm
http://www.uspornaziarovka.sk/pages/Sveteln%C3%BD-tok-%252d-p%C3%A1r-por...

Svietivosť I

Svietivosť je svetelný výkon vyžarovaný do priestorového uhla. Jednotkou je kandela, symbol cd. 1 cd = 1,46 mW/sr

Prvý krát bola definovaná ako svietivosť jednej sviečky. Candela je po latinsky sviečka. Súčasná definícia: Kandela je intenzita svetla (svietivosť) v danom smere zo zdroja, ktorý vyžaruje monochromatické žiarenie s frekvenciou 540x1012 Hz a má žiarivú intenzitu (žiarivosť) v tomto smere 1/683 W na jeden steradián. .

Príklad: Vypočítajte svietivosť 55 W halogénovej žiarovky.

  • svetelný výkon: 55 W . 3 % = 1,65 W
  • svetelný tok ? = 1,65 W / 0,00146 W = 1 130 lm
  • svietivosť I = 1 130 lm / 12,56 sr = 90 cd

Vyžarovací uhol

Vyžarovací uhol môžeme definovať ako uhol pod ktorým má žiarovka polovičnú svietivosti. Na nasledujúcom grafe možno odčítať vyžarovací uhol 120˚ = 1 steradián. Prepočet plošného uhla na priestorový môžete urobiť v tabuľke: http://www.zsmalinovpart.edu.sk/matika/AKIRE/MAT/PREMENY.XLS .

Všesmerový zdroj má 360˚ = 12,56 sr. Ak má zdroj menší vyžarovací priestorový uhol, potom svietivosť je 12,56 / uhol krát väčšia.

Príklad: Aká je svietivosť 55 halogénovej žiarovky v reflektore s vyžarovacím uhlom 60°?

  • svietivosť pri 360° je I = 90 cd
  • 60° = 1 sr
  • svietivosť pre 1 sr je I = 90 cd . 12,56 sr / 1 = 1 130 cd

3. Osvetlenie

Osvetlenie vyjadruje intenzitu osvetlenia plochy bez ohľadu na odrazivosť tejto plochy. Jednotka osvetlenia je lux, symbol lx. 1 lux je intenzita osvetlenia spôsobená svetelným tokom 1 lúmen dopadajúcim na plochu 1 m2. V prepočte je to 1 lux = 1,46 mW/m2 dopadajúceho svetla. Osvetlenie klesá s kosínusom uhla dopadu svetla na plochu.

Príklady intenzít osvetlenia:

  • jasný slnečný deň: 100 000 lx = 150 W/m2
  • zamračené počasie v lete: 20 000 lx = 30 W/m2
  • letný deň v tieni: 10 000 lx = 15 W/m2
  • operačný sál: 10 000 lx = 15 W/m2
  • osvetlenie v TV-štúdiu: 1 000 lx = 1,5 W/m2
  • osvetlenie kancelárie: 500 lx = 0,75 W/m2
  • osvetlenie chodby: 100 lx = 0,15 W/m2
  • osvetlenie ulice: 10 lx = 15 mW/m2
  • mesačný svit: 0,25 lx = 0,36 mW/m2
  • jasná hviezdna obloha: 0,001 lx = 1,5 μW/m2
  • zamračená nočná obloha bez cudzieho osvetlenia: 0,0001 lx = 0,15 μW/m2

Odporúčané osvetlenie (STN EN 12464-1) * http://www.poradca.sk/SubPages/OtvorDokument/Clanok.aspx?idclanok=78286 :

  • 20 - 120 lx: prechodné priestory, schodiská, chodby, WC, odkladacie priestory
  • 120 - 160 lx: chodby so zrkadlom
  • 200 - 500 lx: kúpeľne, detské izby, obývacia izba
  • 500 - 1000 lx: pracovné plochy kuchynskej linky a pracovne

Norma STN EN 12464-1 neudáva hodnoty minimálneho osvetlenia v bytových priestoroch, ale skôr odborná verejnosť odporúča určité hodnoty intenzity osvetlenia, pre tzv. svetelnú pohodu a zdravie v domácnosti.

Uvedené hodnoty sú len odporúčané a môže sa líšiť s individuálnymi potrebami. Netreba zabudnúť na kvalitu osvetlenia, t.j. rovnomerne rozložená intenzita osvetlenia a vyvarovania sa prílišných kontrastných rozdielov, čo vzniká pri bodových svetlách s úzkym uhlom vyžarovania. Pre ľudské oko je prirodzenejšia nízka a rovnomerne rozložená intenzita osvetlenia.

Iluminácia

Iluminácia je odrazený svetelný tok od povrchu. Jeho veľkosť závisí od odrazivosti a osvetlenia povrchu. Pri použití rovnakého svetelného zdroja sa svetlé steny môžu zdať lepšie osvetlené ako tmavé.

Farba plôch a smerovosť osvetlenia rozhodujú o iluminácii povrchov. Tu je ukážka:

Zosilnenie osvetlenia vďaka odrazivosť povrchov v miestnosti

Odrazivosť farieb, zdroj http://www.malna.wz.cz/vyber_barev.htm :

  • biela: 80 %
  • slonová kosť: 75 %
  • svetlo žltá: 60 %
  • svetlo zelená: 56 %
  • svetlo šedá: 53 %
  • svetlo modrá: 45 -59 %
  • svetlo ružová: 42 - 69
  • tmavo zelená: 10 - 20 %
  • červená: 16 %
  • hnedá: 15 -24
  • tmavomodrá: 9 %
  • čierna: 1 - 4 %

1. Odrazivosť ovplyvňuje ilumináciu povrchov miestnosti:

Príklad 1: Vypočítajte koľkokrát je väčšia iluminácia oproti všesmerovému osvetleniu miestnosti ktorý má všetky povrchy (steny, strop, podlaha) biele s odrazivosťou 80 %.

0,81 + 0,82 + 0,83 + 0,84 + ... = 4 = 400 %

Príklad 2: Vypočítajte koľkokrát je väčšia iluminácia stien oproti všesmerovému osvetleniu miestnosti 3 x 5 x 2,7 m. Miestnosť má svetlohnedú podlahu s odrazivosťou 25 % a biele steny s odrazivosťou 75 %. Plocha podlahy je 15 m2, stropy a steny majú spolu 63,6 m2, celkový povrch je 78,5 m2

podiel podlahy: 15 / 78,5 = 0,19 = 19 %
podiel stien a stropu: 63,6 / 78,5 = 81 %
priemerná odrazivosť miestnosti: 0,19 . 25 % + 0,81 . 75 % = 65,5 %

Priemerná iluminácia bude: 0,661 + 0,662 + 0,663 + 0,664 + .. = 2 = 200 %

Príklad 3: Vypočítajte koľkokrát je väčšia iluminácia stien oproti osvetleniu všesmerovým osvetlením miestnosti z predchádzajúceho príkladu, ak je smerovo osvetlená len podlaha.

0,25 . 0,75 . (1 + 0,6651 + 0,6652 + ...) = 0,185 . 3 = 0,5625 = 56 %

Príklad 4: Vypočítajte koľkokrát je väčšia iluminácia stien oproti osvetleniu všesmerovým osvetlením miestnosti, ak sú biele steny z predchádzajúceho príkladu osvetlené bodovo.

0,8 . (0,6651 + 0,6652 + ...) = 0,8 . 3 = 2,4 = 240 %

4. VLASTNOSTI SVETLA

Farba svetla

Osvetlenie tej stej miestnosti oranžovým svetlom žiariviek alebo denným svetlom z výkonových LED.

Wienov posuvný zákon

Teleso s teplotou T vyžaruje žiarenie s maximálnym výkonom pre vlnovú dĺžku:

λmax = b / T ... kde b = 2,897 768 5(51) × 10–3 m K

Farebný diagram CIE

- obsahuje farby definované pomocou dvoch súradníc, x a y. Po obvode krivky tvaru luku sú sýte farby ako na dúhe, rozložené podľa vlnovej dĺžky. Bod E sú súradnice chromatického bieleho svetla, viď CCT. Trojuholník vyznačuje priestor ktorý umožňuje definovať RGB farby.

4.10. CCT - Teplota chromatickosti

- je teplota povrchu pomyselného vlákna žiarovky ktorý vydáva určitú farbu svetla. Čím vyššia teplota, tým studenšie svetlo, prevládajú kratšie vlnové dĺžky. Denné svetlo má teplotu chromatičnosti 5000 K. Zapadajúce slnko a žiarovky majú oranžové svetlo s teplotou 2700 K. Studené namodralé svetlo má 6500 - 8000 K.

Označovanie farieb bieleho svetla, ktoré používa firma Cree: http://www.klasici.sk/sites/default/files/ansiwhite.jpg

Príklady teploty svetelných zdrojov:

  • 1 500 K: sviečka
  • 2 680 K: 60W žiarovka
  • 3 000 K: Halogénová žiarovka
  • 5 500 K: Ranné/popoludňajšie slnko
  • 5 500 K: fotografické blesky; toto je zvyčajná farebná teplota používaná v profesionálnej fotografii
  • 6 000 K: jasné poludňajšie svetlo
  • 7 000 K: ľahko zamračená obloha
  • 8 000 K: oblačno, hmlisto (mraky zafarbujú svetlo do modra)
  • 10 000 K: silno zamračená obloha alebo len modré nebo bez slnka

Človek svoje vnímanie farieb prispôsobuje svetlu ? biely papier vníma ako biely, aj keď je vplyvom osvetlenia zafarbený.

4.11. Graf svetelnej pohody

- vyjadruje potrebnú intenzitu osvetlenia pri danej teplote svetelného zdroja, tak aby sa svetlo javilo ako prirodzené, nie ako tmavé alebo príliš silné.

4.12. CRI - Index podania farieb

- angl. Color Rendering Index, popisuje, ako dobre sa určitá množina štandardných farieb reprodukuje, keď ich osvetlí konkrétny zdroj svetla. Je to bezrozmerná jednotka v rozsahu od 0 do 100 Ra. Keď sa CRI približuje k 100, znamená to, že farby sa budú javiť s vysokou vernosťou a budú sa podávať presne, kým z nízkej hodnoty CRI vyplýva, že farby môžu nadobudnúť rôzne odtiene, alebo byť chromaticky nerozlíšiteľné pre pozorovateľa. Na osvetlenie pracovného stola stačí CRI = 70, na kvalitné osvetleni emiestnosti 80, pre galérie obrazov 98. Slnečné denné svetlo ma CRI = 100.

Príklad vnímania farieb pri rôznom CRI svetla:

Ukážka osvetlenia ulice ortuťovými výbojkami a LED žiarovkami:

Príklad vyžarovania vlnových dĺžok LED diódami Cree XM-L:

Spektrálne vyžarovanie rôznych polovodičových materiálov pre LED:

4.13. Oko

Sietnica oka obsahuje 3 typy farebných receptorov, červený R, zelený G a modrý B:

Citlivosť ľudského oka na vlnové dĺžky svetla:

4.14. Životnosť zariadení

Orientačné vyťaženie žiarovky v domácnosti je 1 000 hodín za rok.

  • žiarovka: 1 000 hod - po 1000 hod sa vlákno pretaví a žiarovka nesvieti
  • žiarivka: 8 000 - 10 000 hod
  • LED: 30 000 hod - po 30 000 hodinách by mala LED svietiť iba o 30 % menej.

Zásadné vplyvy určujúce životnosť LED sú tieto:

  • typ LED (5 mm LED, super flux LED, SMD LED, power LED)
  • výrobca (originál / napodobenina)
  • dodržanie elektrických parametrov (neprekročenie max. napätia a prúdu)
  • tepelný management (udržanie prevádzkovej teploty na minimálnej možnej úrovni)

5. Výpočet osvetlenia

5.1. Postup výpočtu

Zistíme si potrebné hodnoty:

  1. Zistím vlastnosti miestnosti: rozmery (d x š x v), farby na stenách, podlahe, strope a nábytku
  2. Určíme spôsob osvetlenia: všesmerové, lokálne alebo bodové
  3. Zvolíme osvetľovacie zariadenie. Údaje o zariadení by mali umožniť vypočítať svetelný tok zariadenia, teda počet lúmenov. Buď počet lúmenov udáva výrobca, alebo si ho vypočítame podľa elektrického výkonu a účinnosti zariadenia. Prepočet je 1 lm = 1,46 mW svetla.

Vypočítame:

  1. Vypočítame osvetlenú plochu miestnosti S. Pre všesmerové osvetlenie sú to steny, podlaha a strop.
  2. Zvolíme osvetlenie E alebo ilumináciu povrchu. Osvetlenie [lux] volíme podľa účelu miestnosti (odporúčané osvetlenie miestností) a farby osvetlenia (graf svetelnej pohody). Biele plochy miestnosti zosilňujú celkovú ilumináciu a to môžeme využiť pri šetrení, stačia slabšie alebo menej osvetľovacích zariadení. Napríklad pri bielych stenách a strope, a svetlo hnedej podlahe bude pri všesmerovom osvetlení iluminácia bieleho povrchu 2x väčšia ako jeho priame osvetlenie žiarovkami.
  3. Potrebný svetelný tok na osvetlenie miestnosti vypočítame: fí = E . S ... kde E - je osvetlenie [lux] a S - je osvetľovaná plocha [m2].
  4. potrebný počet zariadení: n = Emiestnosti / Ežiarovky ... kde Emiestnosti - je potrebný svetelný tok pre miestnosť [lm], a Ežiarovky - je svetelný tok osvetľovacieho zariadenia [lm]

5.2. Príklady výpočtov

Príklad 1: Osvetlenie haly LED čipmi.

Zistené hodnoty:

  1. miestnosť: hala 8 x 4 x 2,7 m, biele steny, svetlohnedá podlaha
  2. spôsob osvetlenia: všesmerové
  3. zvolené osvetľovacie zariadenie: LED dióda Cree XML U2, 560 lm pri 1,4 A a 2,0 V

Výpočet:

  1. osvetlená plocha miestnosti (steny, podlaha, strop): S = 8 . 4 + (8 + 4 + 8 + 4) . 2,7 + 8 . 4 = 130 m2
  2. zvolená iluminácia bieleho povrchu: 300 lux, vzhľadom na farby miestnosti stačí polovičné osvetlenie: 150 lux
  3. potrebný svetelný tok na osvetlenie miestnosti: 150 lux x 130 m2 = 20 000 lm
  4. potrebný počet zariadení: 20 000 lm / 560 lm/ks = 36 ks

Príklad 2: Osvetlenie kuchyne žiarovkami.

Zistené hodnoty:

  1. miestnosť: kuchyňa, rozmery 2,2 x 3,4 x 2,7 m, biele steny, svetlohneda podlaha
  2. spôsob osvetlenia: všesmerové
  3. zvolené osvetľovacie zariadenie: všesmerová žiarovka 60 W, 2700 K

Výpočet:

  1. osvetlená plocha miestnosti (steny, podlaha, strop): S = 2,2 . 3.4 + (2,2 + 3,4 + 2,2 + 3,4) . 2,7 + 2,2 . 3,4 = 45 m2
  2. zvolená iluminácia bieleho povrchu: 100 lux, vzhľadom na farby miestnosti stačí polovičné osvetlenie: 50 lux
  3. potrebný svetelný tok na osvetlenie miestnosti: 50 lux x 45 m2 = 2 250 lm
  4. svetelný tok žiarovky: 60 W . 2 % / 0,00146 W/lm = 820 lm
  5. potrebný počet zariadení: 2 250 lm / 820 lm/ks = 3 ks

Príklad 3: Osvetlenie bielej kuchynskej dosky 0,6 m x 2,0 m LED pásom s účinnosťou 20 % a teplotou svetla 6000 K.

Výpočet:

  1. plocha: 0,6 m x 2,0 m = 1,2 m2
  2. zvolené osvetlenie: 400 lux
  3. potrebný svetelný tok: 400 lux x 1,2 m2 = 500 lm = 500 lm x 0,001464 W/lm = 0,732 W
  4. elektrický výkon LED-iek: 0,732 W : 20 % = 3,66 W

1. Linky

6. Úlohy na opakovanie

  1. Prepočítajte na lúmeny: žiarovka 60 W, žiarivka 20 W, LED: 5 W.
  2. Vypočítajte účinnosť v % pre tieto zariadenia: žiarovka 27 lm/W, žiarivka 96 lm/W, LED 205 lm/W.
  3. Uveďte príklad teploty a vhodného osvetlenia (lux) pre teplé, denné a studené svetlo.
  4. Vypočítajte potrebný elektrický výkon LED žiaroviek s bielym svetlom s teplotou 6.000 K a účinnosťou 200 lm/W na všesmerové osvetlenie miestnosti 4 m x 8 m x 2,8 m s bielymi stenami a svetlohnedou podlahou.

Zdrojová tabuľka pre výpočet osvetlenia: http://www.klasici.sk/sites/default/files/VypocetOsvetlenia.ods .

PrílohaVeľkosť
TeplotaFarieb.png152.46 KB
PlanckovZakon.png92.32 KB
TeplotaSvetla2.png112.37 KB
GrafSvetelnejPohody.png130.36 KB
TeplotaSvetlaZiaroviek.png292.59 KB
cri.jpg26.58 KB
cri.png91.14 KB
ansiwhite.jpg395.35 KB
PrikladLambdaCRI.png44.35 KB
UkazkaOsvetleniaUliceVybojkovAleboLED.jpg103.95 KB
FarebneReceptoryOka.jpg65.58 KB
CitlivostFotoreceptorovOka.jpg89.58 KB
SpektrumRoznychMaterialov.JPG78.38 KB
CieColorSystem.png39.49 KB
FerebneOdtieneBateriek.jpg270.51 KB
LED.png201.77 KB
vybojky.png94.73 KB
halogen.png85.84 KB
ziarovka.png26.67 KB
ChemickeOsvetlenie.png306.3 KB
OsvetlenieZeme.png128.53 KB
OsvetlenieMiestnostiRoznymiZdrojmi.png942.05 KB
OsvetlenieVsesmeroveBodove.png574.15 KB
VelicinyPojmy.png39.01 KB
PrikladVyzarovacíUhol.png25.45 KB
Steradian.png49.55 KB
IluminaciaSmerovostFarbaOsvetlenia.png9.95 KB
PrikladyLumen.png114.79 KB
PrikladyCandela.png99.95 KB
SmerovostLumen.png186.49 KB
patice.png284.85 KB
IluminaciaSmerovostFarbaOsvetlenia.png7.77 KB
steradian.jpg16.72 KB
steradian2.jpg10.74 KB
DistribucnyDiagramSvietivost.gif10.63 KB
VypocetOsvetlenia.ods16.41 KB