Světelná technika Podstata a základní vztahy
Úvod Vytváření zdravého životního prostředí ve spojení s efektivním využíváním energie klade vysoké nároky nejen na optimální využití slunečního záření a denního světla, ale i na umělé osvětlení. K rostoucímu významu umělého osvětlení přispívá i technický pokrok kvalitnější a efektivnější světelné zdroje, řízení a regulace vytváření nových světelných soustav, které splňují veškeré požadavky jak na efektivitu, tak i na světelnou pohodu. Světlo má vliv na různá odvětví: *průmyslové osvětlení-zvýšení produktivity práce, bezpečnost a kvalita *veřejné osvětlení-bezpečnost osob a dopravy *osvětlení v domácnosti-odpočinek, příjemné prostředí *kulturní zařízení, osvětlení památek a budov, … -reprezentativní zvýraznění *osvětlení architektury
Úvod Základem nauky o světle je poznání zákonitostí lidského zraku a vidění - prostřednictvím zraku člověk získává (80 – 90) % veškerých informací. Zraková pohoda je stav: - při kterém zrak plní své funkce s maximální účinností -člověk má pocit, že dobře vidí -člověk se cítí psychicky dobře -prostředí je vzhledově příjemné -je příjemný psychofyziologický stav, při kterém zrakový systém optimálně plní své funkce a při kterém člověk dobře vidí a je „v pohodě“. Zrak velmi úzce souvisí s centrální nervovou soustavou, a proto mají na zrakové vnímání vliv i další momenty okolního prostoru.
Osvětlování je je činnost zaměřená k vytvoření požadovaného světelného prostředí. Výsledkem této činnosti je osvětlení. „Abych viděl a aby ostatním, ani mně světlo nevadilo“.
Záření Libovolné záření lze rozložit na složky se sinusovým průběhem – každá složka je charakterizována jediným kmitočtem, případně vlnovou délkou - monochromatické (monofrekvenční) záření. Na čem závisí vlnová délka ? Popište vlnové délky
Oblasti elektromagnetického záření Rozložení bílého světla hranolem Viditelné záření v rozsahu elektromagnetického záření
Spektrální citlivostzrakový orgán není stejně citlivý na záření různých vlnových délek. Každý člověk má různý průběh závislosti. Proto se definuje tzv. normální pozorovatel. Největší citlivost je dána citlivostí čípků (tyčinek). V -poměrná světelná účinnost viditelné záření při denním vidění V’ -poměrná světelná účinnost viditelné záření při nočním vidění
Druh zářeníOznačeníVlnová délka (nm)Poznámka UV záření UV-C100 – 280 např. desinfekce UV-B280 – 315 hnědnutí kůže, spálení UV-A315 – 380 bankovky Viditelné záření fialová380 – 430 modrá430 – 490 zelená490 – 570 žlutá570 – 600 oranžová600 – 630 červená630 – 780 IR zářeníIR780 – tepelné záření Oblasti záření UV-A -atmosféra propouští téměř bez omezení, na povrch (90-99) % UV-B-atmosféra z velké části zachycuje, zdravotně závadné UV-C -atmosféra prakticky nepropustí
Podstata světla Viditelné záření: je optické záření, které je schopné vyvolat přímo zrakový vjem. V podmínkách denního vidění budí záření viditelné vjemy. Přesné meze viditelného záření nelze přesně stanovit – ? jsou závislé na spektrální citlivosti oka pozorovatele Popiš analogii se zvukem Ve spektru slunečního záření může člověk rozeznat téměř 130 barevných odstínů. Viditelné záření ovlivňuje: *život člověka, zvířat a rostlin (fotosyntéza) *biologické hodiny živých organismů *činnost lidí v různých oborech (optika, elektrotechnika, chemie) *stárnutí tkanin, umělecká díla, …
Teorie vidění Při posuzování kvality osvětlení je nezbytnou podmínkou základní znalost anatomie a fyziologie zrakového systému. Pomocí zraku přijímáme většinu informací o vnějším prostředí. Nositelem této informace je světlo. Zrakový systém je soubor orgánů, které zajišťují příjem, přenos a zpracování informace Části zrakového systému *periferní (oči člověka) *spojovací (zrakové nervy) *centrální (části mozku)
Teorie vidění Systémy oka: *optický-získání optické informace-(rohovka až sítnice) *nervový-zpracování informace- sítnice, fotoreceptory - čípky (denní vidění), tyčinky (noční vidění) a cirkadiánní čidla Zachycená světelná informace je nejprve zachycena na sítnici oka prostřednictvím tyčinek (na kraji sítnice) a čípků (u středu sítnice). Zachycené informace jsou přenášeny do centra nervového systému.
Biologické hodiny Biologické hodiny živých organizmů se liší od 24 hodinového cyklu v řádu minut -člověk+ 20 minut za 24 hodin Srovnání biologických hodin člověk s 24 hodinovým cyklem probíhá ráno. Cirkadiánní čidla -řízení biologických pochodů ve 24 hodinovém cyklu – biorytmy -ovlivňují teplotu, tlak, metabolismus, psychiku -max. citlivost pro = nm - mají vliv na produkci hormonu melatonin v krvi - hormon spánku a tělesné regenerace
Teorie vidění Oko nedovede stejně ostře zobrazit předměty, které se nacházení v různých vzdálenostech. Vzdálenostia)více než 6 m – pro oko nekonečno b)blízký bod (podle věku 10 – 50 cm) až 6 m c)méně než blízký bod – oko nelze zostřit Akomodace je schopnost oka „zaostřit“ předměty v různé vzdálenosti a je dána „deformací“ čočky. Pružnost se věkem ztrácí starší lidé hůře zaostřují na kratší vzdálenost Adaptace okaje schopnost oka přizpůsobit se různým hladinám jasu. Ve vnitřních prostorách se definuje osvětlenost. Nelze zcela přesně určit jasy z důvodů různých odrazů – rozsah osvětlenosti je 0,25 – lx. Adaptace na světlo trvá řádově sekundy, adaptace na tmu může být až několik minut (adaptace zorničky). Denní vidění (fotopické)- čípky (barevné) Noční vidění (skopotické)- tyčinky (černobílé) Denní i noční (mezopické)
Teorie vidění Zorné poleje část prostoru, kterou může pozorovatel postřehnout pohledem bez pohybu oka a hlavy. Člověk vidí v úhlovém rozsahu asi 8 0 (vodorovná rovina) a 6 0 (svislá rovina). Není konstantní, je dáno jasem a barvou světla. Rozlišovací schopnost je rozlišení předmětů s různým jasem, barvou, trojrozměrných předmětů i stíny Prahový kontrast je nejmenší rozlišitelný rozdíl jasů. Je dán adaptačním jasem (jasem pozadí po adaptaci oka). Při nízké hodnotě jasu je člověk schopen rozlišit plochy s poměrem jasů 1:3, při vysoké hodnotě jasu 1:1,01 Zraková ostrost je schopnost oka rozeznat proti pozadí dvě drobnosti, které jsou velmi blízko sebe. Je dána osvětlením a adaptačním jasem (jas pozadí).
Oslněnívzniká jestliže jsou příliš velké jasy nebo jejich rozdíly a oko není schopné se adaptovat je ztížen přenos světelných informací. Přímé oslnění-je způsobeno nadměrným jasem svítících částí svítidel nebo hlavních povrchů prostoru Oslnění odrazem-je způsobeno odrazy od svítících ploch na lesklých částech pozorovaných předmětů Přechodové oslnění-náhlé změně adaptačního jasu, zrakový orgán se nedokáže dostatečně rychle přizpůsobit Závojové oslnění-před pozorovaným pozadím je prostředí s vyšším jasem (záclona, sněžení, mlha) Oslnění kontrastem-v zorném poli se vyskytnou jasy, které jsou příliš vysoké v porovnání s jasem, na které je oko adaptováno
Psychologické oslnění-nevyvolává změny zrakových funkcí *pozorovatelné-vnímáme, odvádí pozornost *rušivé -nárůst únavy, zraková nepohoda Fyziologické oslnění-snížení zrakových schopností, je měřitelné *omezující *oslepující-může být i absolutní Oslnění Omezit oslnění (zejména fyziologické) patří mezi základní povinnosti projektanta
Hodnocení oslnění-vnitřní prostory – přímé, rušivé oslnění -venkovní prostory Určení oslnění ve vnitřních prostorech se provádí pomocí činitele oslnění – index UGR (-), ve venkovních prostorách – index GR (-). Indexy jsou různé, ve vnitřních místnostech je třeba počítat s odrazem. Výpočet se provádí podle složitého vztahu, výsledek se porovná s mezní doporučenou hodnotou. pozorovatel pozadí Proveď hodnocení oslnění od protijedoucího automobilu, je rozdíl ve dne a v noci ?
1. pozorovatel Je realizace osvětlení pracoviště se dvěma pracovníky řešena správně ? V čem se projektant dopustil chyby ? 2. pozorovatel
Základní veličiny a jednotky Ve světelné technice se sledují důsledky působení záření na zrakový vjem. Pro proces vidění nejsou důležité energetické veličiny (souhrnné působení záření za určitou dobu), ale rozhodující je výkon – světelný tok zdrojů a jeho prostorové rozdělení. Při hodnocení se posuzuje, do jaké míry napomáhá osvětlení přijetí a zpracování informace a jak je usnadněn proces vidění. Pracuje se s fotometrickými pojmy a veličinami, které respektují proměnnou citlivost oka pozorovatele k záření různých vlnových délek. Každý pozorovatel má různé schopnosti vnímat světelné záření. Pro zajištění jednotnosti světelně technických výpočtů se počítá s citlivostí „normálního fotometrického pozorovatele“.
Základní veličiny a jednotky 1. Světelný tok- (lm)(lumen) Odpovídá zářivému toku a vyjadřuje schopnost zářivého toku způsobit zrakový vjem. Světelný tok monofrekvenčního záření (záření o dané vlnové délce): ( ) = K( ) * e ( ) = 683 * V( )* e ( )(lm;lm/W,W) kdeK( ) …světelný účinek monofrekvenčního záření (lm/W) Při denním vidění je K = K max = 683 lm/W pro = 555 nm Pro jiné vlnové délky je K < K max Při nočním vidění je K’ = K’ max = 1700lm/W pro = 507 nm e ( )…zářivý výkon (W) V( ) …světelná účinnost monochromatického záření (0 – 1) Světelný tok je tedy zářivý tok zhodnocený zrakovým orgánem normálního pozorovatele, obvykle při denním vidění.
Základní veličiny a jednotky Světelný tok Příklad Vypočítejte světelný tok, který odpovídá monochromatickému zářivému toku 10W, pro a) vlnovou délku 650 nm b) vlnovou délku 550 nm Pro =650 nm ke V( )=0,107 pro =550 nm ke V( )=0,995 Příklady světelných zdrojů: obyčejná žárovka 100W-1340 lm halogenová žárovka 100W-1400 lm úsporná žárovka 21 W-1230 lm LED žárovka 13,2 W-1050 lm
Porovnání světelných zdrojů Zdroje světla do objímky E27 (Náhrada klasických žárovek) typ klasická žárovka halogenová žárovka kompaktní zářivka LED příkon (W) světelný tok (lm)
Základní veličiny a jednotky 2. Prostorový úhel- (sr)(steradián) Je část prostoru vymezená rotační kuželovou plochou (úhel při vrcholu kužele). Kuželová plocha vytíná na povrchu koule o poloměru r plochu A. Jeden steradián odpovídá takovému úhlu při vrcholu kužele, který má s koulí o poloměru 1 m jako průnik plochu o obsahu 1 m 2. = A/r 2 (sr;m 2,m) kdeA …plocha vymezená kuželovou plochou (m 2 ) r …poloměr koule, na jejíž plášti je vymezená plocha A Jaký je maximální prostorový úhel ? max = (4* *r 2 )/r 2 = 4*
Základní veličiny a jednotky 3. Svítivost-I (cd)(candela) Při nerovnoměrném rozložení světelného toku zdroje (svítidla) do různých směrů musíme znát prostorovou hustotu světelného toku v různých směrech – svítivost. Svítivost udává, jaký světelný tok vyzařuje bodový zdroj světla do prostorového úhlu 1 steradián. V praxi je pro svítivost směrodatný světelný zdroj a svítidlo. Svítivost bodového zdroje v daném směru (ohraničení danými úhly)
Svítivost Po určení hodnoty svítivosti ve všech směrech prostoru, vynesení (radiusvektory) z bodového zdroje a spojení všech koncových bodů fotometrická plocha svítivosti I (cd) nebo (cd/lm).. I0I0 I 0 -svítivost uvažovaného zdroje ve vztažném směru I -svítivost uvažovaného zdroje v daném směru I (cd) Čáry svítivosti jsou uvedeny výrobcem v katalogu a podle typu svítidla se vyhotovují v jedné nebo ve dvou rovinách (při zadávání dat do výpočtového programu na osvětlení ale musí být roviny po 15 0 ). Žárovka (mléčná) - stačí jedna rovina Zářivka-nutné dvě roviny V katalogu jsou přepočítány křivky svítivosti pro = 1000 lm. I sk. = I * ( /1000) II Osa y – lze i jednotka cd/lm
Příklady křivek svítivosti, zdezde
Základní veličiny a jednotky 4. Osvětlenost (intenzita osvětlení)-E (lx)(lux) Je to plošná hustota světelného toku dopadajícího na danou plochu. Orientačně - „Osvětlenost ve vzdálenosti 1 m od svíčky je přibližně 1lux“. Pro bodový zdroj světla platí: kdeI …svítivost zdroje v daném směru l …vzdálenost světelného zdroje
Osvětlenost (intenzita osvětlení) I (cd) I 0 (cd) l simulace
Příklad na výpočet osvětlení K osvětlení prostoru je použito zářivkové svítidlo 4 * 18 W. Světelný tok použité zářivky je lm. Vypočítejte osvětlení v daném bodě I 0 (cd)/klm I´I´ II I0I0 l 4 m 3 m
Základní veličiny a jednotky 5. Jas svazku světelných paprsků-L (cd/m 2 ) Je to veličina, na kterou reaguje zrakový orgán a je měřítkem pro vjem světlosti svítícího nebo osvětlovaného tělesa, jak je vnímá lidské oko. Jen dán odrazem světla od dané látky. Je to veličina, která je určena prostorovou a plošnou hustotou světelného toku přenášenými paprsky. (pro homogenní, nerozptylující a nepohlcující prostředí je jas nezávislý na vzdálenosti od zdroje) kdeI …svítivost S p …viditelná svítící plocha Jas je závislý na stanovišti pozorovatele a směru jeho pohledu. Jas je rozhodující při hodnocení oslnění !
pozorovatel 1. varianta 2. varianta Jaká z obou variant je vhodná pro osvětlení místnosti s monitorem ? Výhodnější je 1. varianta, protože u 2. varianty dochází k oslnění pozorovatele
Barva (vjem barvy) se označuje jako vlastnost zrakového počitku, která umožňuje pozorovateli zjistit rozdíl dvou předmětů (ploch). Pojem barva se přenáší na vlastnost světla a předmětů barevné vlastnosti světla-chromatičnost barevné vlastnosti povrchů-kolorita Základy nauky o barvě Záření každého kmitočtu (monofrekvenční) přísluší jednoznačně určitá spektrální barva. Spektrální barvy – monofrekvenční barvy Nespektrální barvy – smíšené barvy
Základní veličiny a jednotky 6. Teplota chromatičnosti - T c (K) je rovna teplotě černého zářiče jehož záření má stejnou chromatičnost jako uvažované záření Výbojové zdroje světla neobsahují všechny vlnové délky – náhradní teplota chromatičnosti extra teple bílá K teple bílá K bílá Kchladná bílá K denní
Základní veličiny a jednotky T c = K T c = K T c = K Přiřaďte dané teploty chromatičnosti k obrázkům a určete vhodnost použití
7. Index barevného podání-R a (-) Vjem barvy určitého předmětu je podmíněn spektrálním složením záření zdroje osvětlujícího předmět, osvětlovaným předmětem a zrakem pozorovatele. Vjem barvy v denním (přírodním) světle se díky dlouhodobé adaptaci člověka považuje za normální. U některých světelných zdrojů může docházet ke zkreslení barev Index podání barev charakterizuje vliv spektrálního složení světla zdrojů na vjem barvy osvětlovaných předmětů. R a se pohybuje v rozsahu 100 (věrné podání barev v celém spektru) až 0 (některé barvy nejsou podány vůbec – značné barevné zkreslení). Určete příklady pro požadavky na index barevného podání a teplotu chromatičnosti: *průmyslový podnik *třída *obývací pokoj *útulná restaurace
Základní veličiny a jednotky Index barevného podání - příklady klasická žárovkaRa =100 zářivka70 – 90 LED 70 – 95 halogenidové výbojky65 – 96 vysokotlaká sodíková výbojka20 rtuťová vysokotlaká výbojka40 – 59 směsová výbojka30 – 69 nízkotlaká sodíková výbojka0 8. Měrný světelný výkon- e (lm/W) patří k nejdůležitějším energetickým parametrům a udává, s jakou „účinností“ je elektrická energie přeměňována na světlo (jak velký světelný tok se získá z 1W) e = /P p (lm/W;lm,W) Pohybuje se v rozsahu 9 lm/W (klasická žárovka) do 120 lm/W (LED)
Měrný světelný výkon - porovnání ( Typ Měrný světelný výkon (lm/W) Klasická wolframová Halogenová žárovka Kompaktní zářivka Lineární zářivka Halogenidová výbojka Vysokotlaká sodíková výbojka Nízkotlaká sodíková výbojka LED, T c > 4000K LED T c < 4000K 40-80
Zdroj: Jiří PlchSvětelná technika v praxi Jiří HabelZáklady světelné techniky (Světlo 4/2008 – 4/2009) Wikipedie Habel a kolSvětlo a osvětlování Materiál je určen pouze pro studijní účely