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 .