Podstata a základní vztahy Světelná technika Podstata a základní vztahy

Úvod Světlo má vliv na různá odvětví: 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 „Abych viděl a aby ostatním, ani mně světlo nevadilo“. 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 Osvětlování je je činnost zaměřená k vytvoření požadovaného světelného prostředí. Výsledkem této činnosti je osvětlení. „Abych viděl a aby ostatním, ani mně světlo nevadilo“.

Zraková pohoda * zrak velmi úzce souvisí s centrální nervovou soustavou, a proto mají na zrakové vnímání vliv i další momenty okolního prostoru. * je příjemný psychofyziologický stav, při kterém zrakový systém optimálně plní své funkce a při kterém člověk dobře vidí a je „v pohodě“.

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 Viditelné záření v rozsahu elektromagnetického záření Rozložení bílého světla hranolem

Spektrální citlivost zrakový 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

Oblasti záření UV záření UV-C 100 – 280 UV-B 280 – 315 UV-A 315 – 380 Druh záření Označení Vlnová délka (nm) Poznámka UV záření UV-C 100 – 280 např. desinfekce UV-B 280 – 315 hnědnutí kůže, spálení UV-A 315 – 380 bankovky Viditelné záření fialová 380 – 430 modrá 430 – 490 zelená 490 – 570 žlutá 570 – 600 oranžová 600 – 630 červená 630 – 780 IR záření IR 780 – 10 000 tepelné 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

UV záření - dezinfekce Základní kritéria a rozdělení: * dávka záření - intenzita (výkon na plochu) * čas * rozdělení - monochromatické – 254 nm - polychromatické – (200–400) nm

Popiš analogii se zvukem 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 (řízení biologických pochodů ve 24 hodinovém cyklu – biorytmy) 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.

Teorie vidění Oko nedovede stejně ostře zobrazit předměty, které se nacházení v různých vzdálenostech. Vzdálenosti a) 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 oka je 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 – 100 000 lx. Denní vidění (fotopické) - čípky (barevné) Noční vidění (skopotické) - tyčinky (černobílé) Denní i noční (mezopické) Lp > 0,03 cd/m2 noční vidění Lp > 3 cd/m2 denní vidění

Teorie vidění Oko registruje rozsah vlnových délek (380 – 780 nm), čemuž odpovídá daný rozsah barev (od fialové do červené). Rozsah intenzity světla od přímého slunečního světla po noční tmu je značný, zrak musí mít schopnost adaptace. Adaptace na světlo trvá řádově sekundy, adaptace na tmu může být až několik minut (adaptace zorničky). Rozsah vidění: spodní hranice Lp = 10-3 (cd/m2) vrchní hranice Lp = 109 (cd/m2)

Teorie vidění Zorné pole je část prostoru, kterou může pozorovatel postřehnout pohledem bez pohybu oka a hlavy. Člověk vidí v úhlovém rozsahu asi 80 (vodorovná rovina) a 60 (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 je člověk schopen rozlišit plochy s poměrem jasů 1:3, při vysoké hodnotě 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).

Oslnění vzniká 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

Oslnění 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 Omezit oslnění (zejména fyziologické) patří mezi základní povinnosti projektanta

Hodnocení oslnění - vnitřní prostory – přímé, rušivé oslnění Proveď hodnocení oslnění od protijedoucího automobilu, je rozdíl ve dne a v noci ? pozadí pozorovatel 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.

Je realizace osvětlení pracoviště se dvěma pracovníky řešena správně Je realizace osvětlení pracoviště se dvěma pracovníky řešena správně ? V čem se projektant dopustil chyby ? 1. pozorovatel 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 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) kde K() … světelný účinek monofrekvenčního záření (lm/W) Při denním vidění je K = Kmax = 683 lm/W pro  = 555 nm Pro jiné vlnové délky je K < Kmax 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

Základní veličiny a jednotky den - noc noc den

Základní veličiny a jednotky 2. Prostorový úhel -  (sr) (steradián) Je to plocha, která je vymezena obecnou kuželovou plochou na povrchu koule jejíž střed (vrchol prostorového úhlu) je totožný s vrcholem uvažované kuželové plochy. Jeden steradián je určený jednotkovou plochou (1 m2), na povrchu jednotkové koule (r = 1m).  = A/r2 (sr;m2,m) kde A … plocha vymezená kuželovou plochou (m2) r … poloměr koule, na jejíž plášti je vymezená plocha A Jaký je maximální prostorový úhel ? max = (4**r2)/r2 = 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) kde  … světelný tok  … prostorový úhel do kterého světelný zdroj vyzařuje

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).. I0 - svítivost uvažovaného zdroje ve vztažném směru 40 60 80 100 300 900 600 1500 1200 I (cd) I - svítivost uvažovaného zdroje v daném směru 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 150). Žárovka (mléčná) - stačí jedna rovina Zářivka - nutné dvě roviny V katalogu jsou přepočítány křivky svítivosti pro  = 1000 lm. Isk. = I * (/1000)  I I0 Osa y – lze i jednotka cd/lm

Základní veličiny a jednotky 4. Osvětlenost (intenzita osvětlení) - E (lx) (lux) Je to plošná hustota světelného toku dopadajícího na danou plochu. Pro bodový zdroj světla platí: kde I … svítivost zdroje v daném směru l … vzdálenost světelného zdroje Orientačně - „Osvětlenost ve vzdálenosti 1 m od svíčky je přibližně 1lux“.

Osvětlenost (intenzita osvětlení)  I (cd) I0 (cd) l simulace

Příklad na výpočet osvětlení K osvětlení prostoru je použito zářivkové svítidlo 4 * 18 W. Světelný tok použité zářivky je 1 350 lm. Vypočítejte osvětlení v daném bodě.  I I0 l 4 m 3 m 300 900 600 1500 1200 50  100 I´ 150 200 I0 (cd)/klm

Základní veličiny a jednotky 5. Jas svazku světelných paprsků - L (cd/m2) 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) kde I … svítivost Sp … viditelná svítící plocha Jas je závislý na stanovišti pozorovatele a směru jeho pohledu. Jas je rozhodující při hodnocení oslnění !

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 pozorovatel

Základy nauky o barvě 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 Záření každého kmitočtu (monofrekvenční) přísluší jednoznačně určitá spektrální barva. Spektrální barvy – monofrekvenční barvy Nespektrální barvy – smíšené barvy

Základní veličiny a jednotky 6. Teplota chromatičnosti - Tc (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 2 700 K denní teple bílá 3 000 K bílá 4 000 K chladná bílá 8 000 K

Základní veličiny a jednotky Přiřaďte dané teploty chromatičnosti k obrázkům a určete vhodnost použití Tc = 6 500 K Tc = 2 700 K Tc = 4 000 K

7. Index barevného podání - Ra (-) 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. Ra 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 žárovka Ra = 100 zářivka 70 – 90 LED 70 – 95 halogenidové výbojky 65 – 96 vysokotlaká sodíková výbojka 20 rtuťová vysokotlaká výbojka 40 – 59 směsová výbojka 30 – 69 nízkotlaká sodíková výbojka 0 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 = /Pp (lm/W;lm,W) Pohybuje se v rozsahu 9 lm/W (klasická žárovka) do 120 lm/W (LED)

Měrný světelný výkon Typ žárovky Světelný tok Měrný světelný výkon Klasická wolframová 25 W 230 lm 9,2 lm/W Klasická wolframová 100 W 1340 lm 13,4 lm/W Halogenová 25 W 210 lm 8,4 lm/W Halogenová 100 W 1400 lm 14 lm/W LED 1,5 W (bílá denní) 180 lm 120 lm/W LED 3,3 W (bílá denní) 265 lm 80 lm/W LED 8,2 W (bílá denní) 645 lm 79 lm/W LED 13,2 W (bílá denní) 1050 lm LED 19,5 W (bílá denní) 1500 lm 77 lm/W

Zdroj: Jiří Plch Světelná technika v praxi Jiří Habel Základy světelné techniky (Světlo 4/2008 – 4/2009) Wikipedie http://www.elkovo-cepelik.cz Materiál je určen pouze pro studijní účely