Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:207

Thêm vào BST

Báo xấu

63
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tập bài giảng được biên soạn với mong muốn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình giảng dạy, nghiên cứu và học tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định và cũng là tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật làm việc trong lĩnh vực chiếu sáng, các hội viên của Hội chiếu sáng đô thị Việt Nam. Nội dung bài giảng được trình bày cụ thể như: Những khái niệm cơ bản về ánh sáng; Cấu tạo của đèn và bộ đèn chiếu sáng; Hệ thống điện chiếu sáng; Lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và quản lý hệ thống chiếu sáng; Ứng dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bé lao ®éng th¬ng binh vµ x· héi Trêng ®¹i häc s ph¹m kü thuËt nam ®Þnh TẬP BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG Mã số: TB2013-03-03 Ban biên soạn: Th.s. Hà Thị Thịnh Th.s. Nguyễn Hùng Khôi Nam ®Þnh 2013
LỜI NÓI ĐẦU Sự phát triển của sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, các đô thị, khu công nghiệp, các xa lộ, các công trình văn hóa thể thao đang phát triển nhanh chóng. Việc chiếu sáng các công trình này không chỉ là mối quan tâm của các công ty chiếu sáng đô thị, các nhà thiết kế chiếu sáng kiến trúc mà còn là mối quan tâm chung của toàn xã hội. Hiện nay ở Việt nam với tổng số trên 700 đô thị đang trên đà quy hoạch xây dựng và phát triển, nhu cầu về chiếu sáng tăng trưởng rất lớn. Với số dân đô thị chỉ chiếm 26% dân số cả nước nhưng sử dụng trên 80% tổng điện năng, trong đó chiếu sáng sử dụng tới 27% tổng điện năng. Việc đầu tư xây dựng các nhà máy điện không theo kịp tốc độ phát triển kinh tế, tình trạng thiếu điện còn diễn biến lâu dài cho nên việc sử dụng điện năng hiệu quả và tiết kiệm phải là quốc sách hàng đầu. Kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ chiếu sáng tiện nghi trong đó chú trọng tiện nghi nhìn sang chiếu sáng tiện ích mà nội dung cơ bản là vừa đảm bảo tiện nghi nhìn, thỏa mãn điều kiện lao động tốt nhất nhưng triệt để tiết kiệm điện năng. Tập bài giảng được biên soạn với mong muốn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình giảng dạy, nghiên cứu và học tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định và cũng là tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật làm việc trong lĩnh vực chiếu sáng, các hội viên của Hội chiếu sáng đô thị Việt Nam. Tập bài giảng được chia làm 5 chương: Chương 1: Những khái niệm cơ bản về ánh sáng Chương 2: Cấu tạo của đèn và bộ đèn chiếu sáng Chương 3: Hệ thống điện chiếu sáng Chương 4: Lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và quản lý hệ thống chiếu sáng Chương 5: Ứng dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng Trong quá trình biên soạn tập bài giảng, nhóm biên soạn đã cập nhật các kiến thức cơ bản về kỹ thuật chiếu sáng và công nghệ chiếu sáng hiện đại, tiết kiệm và hiệu quả, phản ánh được xu thế phát triển của khoa học công nghệ chiếu sáng hiện đại phù hợp với tiêu chuẩn Việt nam. Tuy nhiên nhóm biên soạn đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn không thể tránh được những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của bạn đọc để tập bài giảng được hoàn thiện hơn. Nhóm biên soạn i
Mục lục LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................. i Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG ...................................... 1 1.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng ........................................................... 1 1.2. Vai trò của chiếu sáng........................................................................................... 2 1.3. Bản chất của ánh sáng........................................................................................... 2 1.3.1. Bản chất sóng hạt của ánh sáng ..................................................................... 2 1.3.2. Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục................................................... 3 1.3.3. Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch ...................................................... 4 1.4. Một số hiện tượng phát sáng ................................................................................ 5 1.4.1. Hiện tuợng phát sáng do nung nóng .............................................................. 5 1.4.2. Hiện tuợng phát sáng do phóng điện ............................................................. 6 1.4.3. Hiện tượng phát sáng huỳnh quang ............................................................... 7 1.4.4. Hiện tượng phát sáng lân quang .................................................................... 8 1.4.5. Hiện tượng phát sáng thứ cấp ........................................................................ 9 1.5. Các đại lượng cơ bản đo ánh sáng và các dụng cụ đo ánh sáng ........................... 9 1.5.1. Các đại lượng cơ bản đo sánh sáng ................................................................ 9 1.5.2. Thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy ............................ 11 1.5.3. Quang hiệu ................................................................................................... 14 1.5.4. Cường độ sáng ............................................................................................. 15 1.5.5. Độ rọi ........................................................................................................... 15 1.5.6. Độ sáng (còn gọi là độ trưng) ...................................................................... 17 1.5.7. Độ chói ......................................................................................................... 17 1.5.8. Nhiệt độ màu ................................................................................................ 19 1.6. Các định luật quang học và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng ....................... 21 1.6.1. Sự phản xạ.................................................................................................... 21 1.6.2. Sự truyền xạ ................................................................................................. 22 1.6.3. Sự khúc xạ.................................................................................................... 24 1.6.4. Sự che chắn .................................................................................................. 24 1.6.5. Sự hấp thụ .................................................................................................... 25 1.6.6. Định luật Lambert về sự khuyếch tán đều ................................................... 26 1.7. Mắt người và sự cảm thụ ánh sáng (HT thị giác) .............................................. 27 1.7.1. Cấu tạo mắt người ........................................................................................ 27 1.7.2. Sự giải mã hình ảnh ..................................................................................... 28 1.7.3. Quá trình thích nghi ..................................................................................... 29 1.7.4. Cảm giác chiều sâu của vật cần nhìn ........................................................... 29 ii
1.7.5. Cực cận và cực viễn của mắt ...............................................................................29 1.7.6. Trường nhìn (thị trường) của mắt ................................................................ 30 1.7.7. Độ tương phản .............................................................................................. 30 1.7.8. Hiện tượng chói lóa ......................................................................................31 Chương 2: CẤU TẠO CỦA ĐÈN VÀ BỘ ĐÈN CHIẾU SÁNG .................................43 2.1. Bóng đèn nung sáng ............................................................................................ 43 2.1.1. Cấu tạo của bóng đèn nung sáng ..................................................................43 2.1.2. Các bộ đèn nung sáng thông dụng ............................................................... 45 2.2. Bóng đèn huỳnh quang .......................................................................................46 2.2.1. Đặc điểm cấu tạo ..........................................................................................46 2.2.2. Các bộ đèn huỳnh quang thông dụng ...........................................................48 2.3. Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID- Hingh Intentsity Discharge). .........49 2.3.1. Cấu tạo của bóng đèn phóng điện ................................................................ 49 2.3.2. Các bộ đèn phóng điện HID thông dụng ......................................................50 2.4. Đèn phát sáng quang điện (LED- Lighting Emitting Diode) ............................. 53 2.5. Đèn cảm ứng (đèn không điện cực) ....................................................................54 2.6. Đèn Sulfua ..........................................................................................................55 2.7. Cấu tạo của bộ đèn chiếu sáng công cộng ..........................................................56 2.7.1. Cấu tạo chung của một bộ đèn chiếu sáng công cộng .................................56 2.7.2. Các bộ phận chính của bộ đèn chiếu sáng công cộng ..................................57 2.7.3. Các thông số cơ học chủ yếu của bộ đèn chiếu sáng công cộng ..................61 2.7.4. Các thông số điện chủ yếu của bộ đèn chiếu sáng công cộng .....................63 2.7.5. Các thông số về quang học của bộ đèn chiếu sáng công cộng.....................64 2.7.6. Phân loại các bộ đèn chiếu sáng công cộng .................................................72 Chương 3. HỆ THỐNG ĐIỆN CHIẾU SÁNG ............................................................. 74 3.1. Quy chuẩn hệ thống chiếu sáng ..........................................................................74 3.2. Thiết kế chiếu sáng dân dụng .............................................................................75 3.2.1. Phương pháp suất phụ tải chiếu sáng ...........................................................75 3.2.2. Phương pháp hệ số sử dụng .........................................................................76 3.2.3. Tính toán chiếu sáng theo phương pháp điểm .............................................77 3.2.4. Thiết kế chiếu sáng theo phương pháp điểm ...............................................79 3.2.5. Hệ thống cung cấp điện ................................................................................87 3.2.6. Tính và chọn tiết diện dây dẫn cho mạng điện chiếu sáng ..........................89 3.3. Thiết kế chiếu sáng công cộng ............................................................................96 3.3.1. Sơ lược về lịch sử các phương pháp, trình tự thiết kế .................................96 3.3.2. Các tiêu chuẩn chiếu sáng đường giao thông và yêu cầu cơ bản .................97 3.3.3. Các nguyên tắc cơ bản .................................................................................97 iii
3.3.4. Phương pháp tỉ số R trong thiết kế chiếu sáng .......................................... 101 3.4.5. Phương pháp độ chói điểm trong thiết kế chiếu sáng ................................ 107 3.4.6. Thiết kế chiếu sáng tại các điểm đặc biệt trên đường giao thông .............. 111 3.4. Thiết kế chiếu sáng công nghiệp .......................................................................... 125 3.4.2. Chiếu sáng công viên, vườn hoa.................................................................... 125 3.4.3. Chiếu sáng công trình thể thao ngoài trời - những nguyên tắc chung ........... 131 3.4.4. Một số vấn đề cần nghiên cứu chiếu sáng đô thị ........................................... 133 3.4.5. Ô nhiễm ánh sáng .......................................................................................... 134 3.4.6. Quy hoạch chiếu sáng .......................................................................................... 135 3.5. Điều khiển hệ thống chiếu sáng ................................................................................. 136 Chương 4: LẮP ĐẶT, VẬN HÀNH, BẢO DƯỠNG VÀ QUẢN LÝ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ............................................................................................................. 140 4.1. Lắp đặt và vận hành hệ thống chiếu sáng ......................................................... 140 4.1.1. Lắp đặt ................................................................................................................ 140 4.1.2. Vận hành hệ thống chiếu sáng ................................................................... 142 4.2. Tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng ............................................................... 144 4.3. Các hiện tượng xuống cấp và bảo dưỡng của hệ thống chiếu sáng .................. 144 4.3.1. Hiện tượng xuống cấp hệ thống chiếu sáng ............................................... 144 4.3.2. Bảo dưỡng hệ thống chiếu sáng ................................................................. 145 4.4. Quản lý và nâng cấp hệ thống chiếu sáng ........................................................ 145 4.4.1. Quản lý ....................................................................................................... 145 4.4.2. Nâng cấp hệ thống chiếu sáng ................................................................... 146 ÔN TẬP CHƯƠNG 4 ................................................................................................. 146 4.1. Lắp đặt và vận hành hệ thống chiếu sáng ......................................................... 146 4.2. Tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng ............................................................... 146 4.3. Các hiện tượng xuống cấp và bảo dưỡng hệ thống chiếu sáng ........................ 146 4.4. Quản lý và nâng cấp hệ thống chiếu sáng ........................................................ 146 Chương 5: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG ........................... 147 5.1. Sử dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng công cộng Ulysse 2.2 ......................... 147 5.2. Sử dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng Dialux 4.9 .......................................... 156 ÔN TẬP CHƯƠNG 5 ................................................................................................. 196 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 197 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 202 iv
Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG 1.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng Ngay từ thời kỳ sơ khai con người đã biết tạo ra ánh sáng từ lửa, tuy nhiên lúc đó con người dùng lửa với tư cách là nguồn nhiệt chứ không phải là nguồn sáng. Trải qua một thời kỳ dài của lịch sử, con người mới phát minh ra loại đèn thắp sáng bằng chất khí. Sau khi nhà hoá học người Áo K.Auer phát minh ra đèn măng sông chế tạo bằng chất chịu được nhiệt độ cực cao đã cho ánh sáng trắng khi đốt cháy trong ngọn lửa chất khí thì đèn măng sông trở nên phổ biến khắp các thành phố lớn trên thế giới, đến nỗi tưởng như không thể còn loại đèn nào có thể thay thế được. Tuy nhiên cuối thế kỷ 19 người ta bắt đầu nhận thấy ưu điểm khi thắp sáng bằng điện. Cho đến nay người ta vẫn chưa biết chính xác ai là người đầu tiên chế tạo ra chiếc đèn điện đầu tiên. Tuy nhiên để đi đến chiếc bóng đèn hoàn thiện như ngày nay chắc chắn phải có sự cống hiến của nhiều nhà khoa học, trong đó người có công lớn nhất và là người đã đăng ký bản quyền phát minh đầu tiên về bóng đèn dây tóc vào năm 1878 là Thomas Edison - một nhà phát minh nổi tiếng của Mỹ. Để ghi nhận công lao và sự nỗ lực của ông trong việc đem ánh sáng đến cho nhân loại mà ngày nay người ta đã tưởng nhớ ông như là cha đẻ của mọi loại bóng đèn điện dùng sợi đốt. Đêm 24/12/1879 Edison mời hàng trăm người thuộc đủ mọi thành phần trong xã hội ở thành phố New York tới dự bữa tiệc tại nhà ông nhằm quảng cáo sản phẩm đèn điện do ông chế tạo lần đầu tiên. Tại bữa tiệc này ông cho thắp sáng hàng loạt bóng đèn ở tất cả khu nhà ở, xưởng máy, phòng thí nghiệm và sân vườn. Kết quả bữa tiệc đã giúp ông nhận được sự tài trợ của chính quyền cho đề án thắp sáng thành phố. Cuối cùng, đến 5 giờ sáng ngày 04/9/1882 hàng trăm ngọn đèn trên các phố đồng loạt bật sáng làm cả một góc thành phố NewYork tràn ngập ánh sáng điện, đánh dấu thời khắc lịch sử ánh sáng điện chinh phục bóng đêm. Đây cũng được xem là thời điểm ra đời của ngành chiếu sáng đô thị. Tại Việt Nam trước đây, chiếu sáng đô thị được xây dựng trên cơ sở lưới đèn chiếu sáng công cộng được xây dựng từ thời Pháp thuộc, chủ yếu dùng bóng đèn sợi tóc. Đến năm 1975, những ngọn đèn cao áp đầu tiên được lắp đặt tại khu vực quảng trường Ba Đình và lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh. Ngoài chiếu sáng đường phố, các loại chiếu sáng khác của đô thị như chiếu sáng công viên, vườn hoa, chiếu sáng cảnh quan các công trình kiến trúc văn hoá, lịch sử, thể thao, chiếu sáng tượng đài... hầu như chưa có gì. Hội nghị chiếu sáng đô thị lần thứ nhất vào tháng 4/1992 là một mốc khởi 1
đầu cho sự phát triển của ngành chiếu sáng đô thị Việt Nam. Thực trạng chiếu sáng đô thị lúc bấy giờ vẫn còn rất kém, lạc hậu so với các đô thị trong khu vực. Sau Hội nghị chiếu sáng đô thị toàn quốc lần thứ hai vào tháng 12/1995 tổ chức tại Đà Nẵng, cùng với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế, lĩnh vực chiếu sáng đô thị ở nước ta đã thực sự hình thành và phát triển. Hiện nay chúng ta đã có Hội chiếu sáng đô thị Việt nam. 1.2. Vai trò của chiếu sáng Tại các nước phát triển, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm từ 8 đến 13% tổng điện năng tiêu thụ. Hệ thống chiếu sáng đô thị bao gồm nhiều thành phần khác nhau, trong đó có thể kể đến chiếu sáng phục vụ giao thông, chiếu sáng các cơ quan chức năng của đô thị. Chiếu sáng đường phố tạo ra sự sống động, hấp dẫn và tráng lệ cho các đô thị về đêm, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân đô thị, thúc đẩy sự phát triển thương mại và du lịch. Đặc biệt, hệ thống chiếu sáng trang trí còn tạo ra không khí lễ hội, sự khác biệt về cảnh quan của các đô thị trong các dịp lễ tết và các ngày kỷ niệm lớn hoặc trong thời điểm diễn ra các hoạt động chính trị, văn hóa xã hội cũng như sự kiện quốc tế. Trong điều kiện thiếu hụt về điện năng của nước ta, đã có những lúc, những nơi chiếu sáng quảng cáo bị coi là phù phiếm, lãng phí và không hiệu quả. Điều này xuất phát từ góc độ tiêu thụ năng lượng mà chưa nhận thức tổng quát vai trò của chiếu sáng đô thị. Do đó cần có sự đánh giá chính xác và khách quan về hiệu quả mà chiếu sáng đem lại không chỉ về mặt kinh tế, mà còn cả trên các bình diện văn hóa - xã hội. Không chỉ nhìn nhận những hiệu quả trực tiếp trước mắt, có thể tính được bằng tiền mà còn cả hiệu quả gián tiếp và lâu dài mà chiếu sáng đem lại trong việc quảng bá, thúc đẩy sự phát triển của thương mại, du lịch và dịch vụ. Chỉ có như vậy, hệ thống chiếu sáng đô thị mới có thể phát triển và duy trì một cách bền vững, đóng một vai trò ngày một xứng đáng trong các công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị. Để làm được việc đó chúng ta phải đẩy mạnh việc nghiên cứu, ứng dụng, phát triển lý thuyết về chiếu sáng đô thị ngày càng hoàn thiện nhằm xây dựng đô thị Việt Nam vừa mang phong cách hiện đại vừa giữ gìn được nét truyền thống. 1.3. Bản chất của ánh sáng 1.3.1. Bản chất sóng hạt của ánh sáng + Ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X, sóng radio, sóng truyền hình,…tất 2
cả đều là những dạng năng lượng điện từ được truyền trong không gian dưới dạng sóng, cũng giống như các bức xạ điện từ khác được đặc trưng bởi bước sóng λ, tần số ν, hoặc chu kỳ T với ν = 1/T hoặc c = ν.λ + Có thể chia bước sóng thành các phạm vi sau, ta nhận thấy ánh sáng nhìn thấy chỉ là dải hẹp từ 380nm 780nm • Từ 3000 m đến 1000 m • Từ 1000 m đến 100 m Sóng dài (LW = long wave) • Từ 100 m đến 10 m Sóng trung (MW = medium wave) • Từ 10 m đến 0,5 m Sóng ngắn (SW = Short wave) • Từ 0,5 m đến 1,0 mm Sóng vô tuyến (FM) • Từ 1000 µm đến 0,78 µm Sóng rađa • Từ 780 nm đến 380 nm Sóng hồng ngoại • Từ 380 nm đến 10 nm Ánh sáng nhìn thấy • Từ 100 A0 đến 0,01 A0 Tia cực tím (tia tử ngoại, UV) • Từ 0,01 A0 đến 0,001 A0 Tia X ( 1 µm = 10-6 m; 1 nm = 10-9 m; 1 A0 = 10-10 m) + Theo thuyết lượng tử, ánh sáng còn mang bản chất hạt (photon), có năng lượng E = hν = hc / λ ; trong đó h là hằng số Plank = 6,626176  10-34Js Tại sao các vật thể phát ra ánh sáng? Ta phải dùng thuyết lượng tử để giải thích như sau: + Một photon bị biến mất khi nó va vào và đẩy một điện tử vòng ngoài lên trạng thái kích thích ở các quỹ đạo xa nhân hơn sự hấp thu năng lượng ánh sáng của vật chất + Một photon được sinh ra khi điện tử từ trạng thái kích thích chuyển sang một quỹ đạo khác gần nhân hơn và tải đi một năng lượng mà nguyên tử bị mất dưới dạng tia sáng mà bước sóng tỷ lệ nghịch với năng lượng được truyền đi sự phát ra năng lượng ánh sáng của vật chất. + Như vậy căn cứ vào bước sóng ta có thể phân biệt được sóng ánh sáng và các dạng năng lượng khác trên quang phổ điện từ. 1.3.2. Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục + Ánh sáng nhìn thấy khác với các dạng bức xạ điện từ khác ở khả năng làm kích hoạt võng mạc của mắt người. + Vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dao động từ 380nm 780nm 3
+ Thí nghiệm đã chứng minh: dải phổ của ánh sáng mặt trời là dải quang phổ liên tục có bước sóng thay đổi từ 380nm 780nm như hình sau: + Ánh sáng mặt trời được coi là nguồn sáng chuẩn để đánh giá chất lượng của nguồn sáng nhân tạo. Lăng kính Tia sáng đơn Ánh sáng sắc đầu ra mặt trời lăng kính Phổ ánh sáng Hình 1.1. Thí nghiệm quang phổ liên tục + Ánh sáng mặt trời có rất nhiều công dụng khác ngoài chiếu sáng: sinh ra vitamin D khi tắm nắng buổi sáng, diệt vi khuẩn (do có một lượng rất bé tia cực tím), phát điện, thu nhiệt, sấy khô. + Hiện nay người ta đang nghiên cứu thiết bị dẫn ánh sáng tự nhiên vào trong các toà nhà nhằm giảm tiền điện cũng như có lợi cho sức khoẻ. 1.3.3. Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch Vật đen Nguồn sángnhân tạo Khe hẹp Lăng kính (đèn chiếu sáng) Hình 1.2.Thí nghiệm quang phổ vạch + Ánh sáng nhân tạo có quang phổ vạch đứt quãng. Hình 1.2 là kết quả thí nghiệm xác định quang phổ của một số nguồn sáng nhân tạo sau khi đi qua lăng kính. + Nói chung ánh sáng nhân tạo không tốt bằng ánh sáng mặt trời (xét dưới góc 4
độ chiếu sáng). Về mặt tâm - sinh lý, trải qua hàng triệu năm tiến hóa, hệ thần kinh của con người đã thích nghi hoàn toàn với ánh sáng ban ngày nên với bất kỳ nguồn sáng nào không phải là ánh sáng mặt trời đều không tốt đối với mắt. Ước mơ của con người luôn luôn hướng đến việc tạo ra các nguồn sáng giống như ban ngày, do đó để đánh giá chất lượng của các nguồn sáng nhân tạo người ta thường lấy ánh sáng ban ngày làm chuẩn để so sánh. Ánh sáng đèn tuýp ta thường thấy cũng chỉ có màu xanh, tức là có quang phổ vạch mặc dù ban đêm ta cảm thấy nó khá dễ chịu. Với sự tiến bộ của kỹ thuật, hiện nay người ta có thể chế tạo các nguồn sáng có khả năng phát ra các bức xạ có quang phổ liên tục gần với ánh sáng trắng như đèn xenon, song giá thành rất đắt nên chủ yếu dùng cho các loại xe hơi đắt tiền. 1.4. Một số hiện tượng phát sáng 1.4.1. Hiện tuợng phát sáng do nung nóng Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ > 00K đều bức xạ năng lượng dưới dạng sóng điện từ, khi được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 10000K sẽ phát ra bức xạ ánh sáng (cũng là loại sóng điện từ). Nhiệt độ càng cao thì cường độ ánh sáng tăng lên và màu sắc bề ngoài cũng trở nên sáng hơn. Các loại đèn điện chiếu sáng thường dùng dòng điện để đốt nóng sợi đốt (dây tóc) bằng kim loại. Hiện tượng phát sáng khi nung nóng bằng dòng điện được nhà khoa học Anh Humphrey DaVy phát hiện năm 1802. Sau đó nhà phát minh người Mỹ Edison mới chế tạo ra đèn sợi đốt đầu tiên. Hiện tượng phát xạ ánh sáng do nung nóng được giải thích như sau: Khi có điện áp đặt vào hai đầu dây tóc, các điện tử ở các lớp ngoài của nguyên tử được giải phóng khỏi nguyên tử và dịch chuyển trong mạng tinh thể kim loại. Trong quá trình di chuyển, điện tử luôn luôn có va chạm với các nguyên tử, do đó động năng của điện tử đã truyền một phần cho nguyên tử. Kết quả là các nguyên tử bị kích thích và một số điện tử lớp trong nhảy ra lớp ngoài (nếu lớp đó chưa đầy). Điện tử này có xu hướng trở về vị trí trống gần hạt nhân hơn (vị trí ổn định) và nếu điều đó xảy ra thì điện tử sẽ mất một lượng năng lượng E (thế năng) đồng thời giải phóng một photon có bước sóng  = c.h/E (có thể là ánh sáng nhìn thấy hoặc không nhìn thấy). Năng lượng bức xạ có thể bao gồm quang năng, nhiệt năng và bức xạ hồng ngoại. Ứng dụng hiện tượng này để chế tạo các loại đèn sợi đốt như đèn sợi đốt chân không (trong dân dụng 50W75W), đèn sợi đốt halogen (còn gọi là đèn halogen- Vonfram). 5
1.4.2. Hiện tuợng phát sáng do phóng điện Hiện tượng này do nhà khoa học Anh Edward Townsend phát hiện đầu tiên. Hiện tượng phóng điện trong chất khí là quá trình diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào áp suất khí, công suất nguồn điện và dạng điện trường. Tuy nhiên có thể mô tả tóm tắt thông qua thí nghiệm sau đây: cho ống phóng điện thủy tinh chứa hơi kim loại hoặc một khí trơ nào đó ở áp suất thấp, bên trong có đặt 2 điện cực và được nối với nguồn 1 chiều thông qua biến trở điều chỉnh được. + Khi điện áp tăng lên thì dòng điện tăng theo (đoạn AB). Nguyên nhân có dòng điện là do các ion tự do tồn tại trong chất khí. + Đến điểm B (điểm xảy ra phóng điện) thì dòng điện tăng rất nhanh còn điện áp giảm xuống đến điểm M (điểm duy trì phóng điện). Nguyên nhân dòng điện tăng là do hiện tượng ion hóa chất khí làm cho số điện tử tăng lên nhanh. + Đến điểm D (bằng cách giảm R) sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện hồ quang. Nguyên nhân là do điện cực bị đốt nóng quá mức làm phát xạ điện tử bằng hiệu ứng nhiệt-ion. Cần lưu ý nếu áp suất cao sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện tia lửa chứ không phải phóng điện tỏa sáng vì hiện tượng phóng điện không tự duy trì được. Khi ứng dụng hiện tượng này vào đèn điện chiếu sáng, người ta chỉ cho đèn làm việc trong khoảng BD với điểm làm việc M được xác lập nhờ điện trở R gọi là “chấn lưu”. Điện áp tại điểm B được gọi là điện áp phóng điện hay điện áp mồi. Khi phóng điện, các nguyên tử khí bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn, sau đó trở về trạng thái ban đầu thì phát ra phôton gây nên hiện tượng phát sáng hướng từ cực âm sang cực dương. Ánh sáng phát ra thường đơn sắc và mang màu đặc trưng của khí trong ống thủy tinh. Ngoài ánh sáng nhìn thấy, tùy vào chất khí mà còn có các tia hồng ngoại hay tử ngoại. Nếu có phát tia tử ngoại thì ống phóng điện phải làm bằng thủy tinh có đặc tính cản tia tử ngoại (thủy tinh natri cacbonat), tránh hủy diệt sinh vật sống, tia hồng ngoại không nguy hiểm vì nó chỉ có tác dụng nhiệt. u(V) Katot 300 E R=30k E B R=300 200 R u Anot C 100 M’ Anot M A E -5 10 10-4 10-3 10-2 10-1 1 logic c Hình 1.3. Thí nghiệm phóng điện trong chất khí 6
Đối với nguồn điện xoay chiều hình sin thì chiều dòng điện duy trì trong ống thủy tinh liên tục thay đổi theo tần số nguồn điện. Cả dòng điện và điện áp trong ống phóng điện không còn là hình sin nữa nên nó được xem là một phần tử phi tuyến. Mặc dù mắt người không cảm nhận được nhưng ánh sáng do đèn tạo ra là ánh sáng nhấp nháy liên tục. B M M B Hình 1.4. Phóng điện trong chất khí với nguồn điện hình sin Năng lượng bức xạ gồm quang năng, nhiệt năng, bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử ngoại có tỷ lệ thay đổi theo áp suất và loại khí sử dụng. Ứng dụng hiện tượng này để chế tạo các loại đèn hơi phóng điện Natri áp suất thấp, Natri áp suất cao, đèn halogen kim loại (hơi thủy ngân cao áp). 1.4.3. Hiện tượng phát sáng huỳnh quang Hiện tượng huỳnh quang được biết đến vào giữa thế kỉ 19 bởi nhà khoa học người Anh GeorgeG.Stoke. Khi cho ánh sáng tử ngoại chiếu vào chất phát huỳnh quang thì một phần năng lượng của nó biến đổi thành nhiệt, phần còn lại biến đổi thành ánh sáng có bước sóng dài hơn nằm trong dải quang phổ nhìn thấy được. Giải thích theo thuyết lượng tử như trong hình 1.5 một photon bức xạ tử ngoại (hình bên trái) va chạm với một electron của một nguyên tử chất huỳnh quang, kích thích và đưa electron này lên mức năng lượng cao hơn. Sau đó, electron này rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra ánh sáng dưới dạng một photon (hình bên phải) trong vùng ánh sáng nhìn thấy được. 7
Hình 1.5. Giải thích hiện tượng phát sáng huỳnh quang Ứng dụng hiện tượng này người ta chế tạo ra đèn huỳnh quang gồm bóng thuỷ tinh không cho tia tử ngoại xuyên qua, trong đó chứa chất thuỷ ngân ở áp suất thấp. Khi phóng điện, các điện tử phát xạ từ điện cực kích thích nguyên tử thuỷ ngân và tạo ra tia tử ngoại (bước sóng 253,7nm), các tia tử ngoại đập vào thành ống (có quét bột huỳnh quang) làm đèn phát sáng. Nhìn chung hiệu suất phát sáng của đèn huỳnh quang khá cao. Chất huỳnh quang có rất nhiều loại nhưng thường dùng chất halophosphat canxi 3Ca(PO4)2.CaF2 để quét vào bên trong thành ống phóng điện một lớp mỏng. Năng lượng bức xạ từ hiện tượng phóng điện ngoài tia tử ngoại có thể còn có tia hồng ngoại, nhưng theo định luật Stokes ta không thể biến đổi tia hồng ngoại về miền ánh sáng nhìn thấy (bước sóng ngắn hơn). Các loại đèn huỳnh quang hiện nay gồm T12-T10-T8-T5, compact,… Ý nghĩa của các ký hiệu này được đề cập ở các chương sau. 1.4.4. Hiện tượng phát sáng lân quang Lân quang là một dạng phát quang, trong đó các phân tử của chất lân quang hấp thụ ánh sáng, chuyển hóa năng lượng của các photon thành năng lượng của các electron sang trạng thái lượng tử có mức năng lượng cao nhưng khá bền vững. Sau đó electron chậm chạp rơi về trạng thái lượng tử ở mức năng lượng thấp hơn và giải phóng một phần năng lượng trở lại dưới dạng các photon. Lân quang khác với huỳnh quang ở chỗ việc electron trở về trạng thái cũ kèm theo nhả ra photon rất chậm chạp. Trong huỳnh quang, sự rơi về trạng thái cũ của electron gần như tức thời khiến photon được giải phóng ngay. Do vậy các chất lân quang hoạt động như những bộ lưu trữ ánh sáng: thu nhận ánh sáng và chậm chạp nhả ra ánh sáng sau đó. Sở dĩ có sự trở về trạng thái cũ chậm chạp của các electron là do một trong số 8
các trạng thái kích thích khá bền nên việc chuyển hóa từ trạng thái này về trạng thái cơ bản bị cấm bởi một số quy tắc lượng tử. Việc xảy ra sự trở về trạng thái cơ bản chỉ có thể được thực hiện khi dao động nhiệt đẩy electron sang trạng thái không bền gần đó, để từ đó nó rơi về trạng thái cơ bản. Điều này khiến hiện tượng lân quang phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ càng lạnh thì trạng thái kích thích càng được bảo tồn lâu hơn. Đa số các chất lân quang có thời gian tồn tại của trạng thái kích thích chỉ vào cỡ miligiây, có một số chất có thể lên tới vài phút hoặc thậm chí vài giờ. Trong thực tế ta thấy con đom đóm phát sáng được là nhờ chất lân quang. Hiện tượng lân quang không được ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng vì hiệu quả thấp và trạng thái phát sáng không bền. Nó chỉ dùng trong chế tạo các đồ chơi cho trẻ em. 1.4.5. Hiện tượng phát sáng thứ cấp Nói cách khác đây không phải là nguồn sáng thực sự như các hiện tượng đã nêu ở trên. Khi một vật được chiếu sáng thì bản thân nó cũng có thể phản xạ một phần ánh sáng gọi là phát sáng thứ cấp. Chỉ có vật đen tuyệt đối mới hấp thụ toàn bộ ánh sáng. Dựa vào hiện tượng này ta có thể giải thích màu sắc của các vật trong tự nhiên: Sự thể hiện màu của vật là do ánh sáng phản xạ tạo thành (ví dụ vật màu đỏ phản xạ tia màu đỏ, các màu khác thì nó hấp thụ). Trước đây có rất nhiều lý thuyết màu sắc khác nhau xuất hiện chủ yếu sử dụng trong ngành dệt nhuộm. Với sự ra đời của thuyết lượng tử, hiện nay người ta đã xây dựng hoàn chỉnh thuyết màu hiện đại dựa vào bản chất sóng hạt của ánh sáng. Một vật thể bất kỳ tiếp nhận ánh sáng chiếu vào sẽ xẩy ra các hiện tượng: phản xạ, xuyên qua, hấp thụ. Mỗi hiện tượng này lại có những tính chất riêng, ví dụ phản xạ lại có các loại phản xạ đều, phản xạ khuyếch tán,…. Các hiện tượng này được nghiên cứu để chế tạo các bộ phận của đèn (đặc biệt là tấm phản quang) nhằm điều khiển sự phân bố ánh sáng của nguồn sáng hiệu quả nhất. Vấn đề này sẽ xét trong các phần sau. 1.5. Các đại lượng cơ bản đo ánh sáng và các dụng cụ đo ánh sáng 1.5.1. Các đại lượng cơ bản đo sánh sáng Khái niệm: Xét một đường cong kín bất kỳ (L). Từ một điểm O trong không gian ta vẽ các đường thẳng tới mọi điểm trên đường cong (L) gọi là các đường sinh. Khi đó phần không gian giới hạn bởi các đường sinh này được gọi là góc khối nhìn đường cong (L) từ đỉnh 0. 9
Độ đo của góc khối là diện tích phần mặt cầu có bán kính r = 1, tâm tại điểm O bị cắt bởi góc khối trên. Ký hiệu góc khối:  (Chữ cái Hy Lạp, đọc là Ômega) Steradian là góc khối mà dưới góc đó người quan sát đứng ở tâm O của một quả cầu R=1m thì nhìn thấy diện tích S=1m2 trên mặt cầu. Ý nghĩa: Góc khối là góc trong không gian, đặc trưng cho góc nhìn (tức là từ một điểm nào đó nhìn vật thể dưới một góc khối). Trong kỹ thuật chiếu sáng, góc khối biểu thị cho không gian mà nguồn sáng bức xạ năng lượng của nó. Ví dụ tính toán một số góc khối. Hình 1.6. Góc khối Cho quả cầu tâm O bán kính R, một hình nón có đỉnh tại O cắt mặt S cầu với một diện tích S thì độ lớn của góc khối là:   R2 Cho 2 hình cầu bán kính R và kR đồng tâm O. Giả sử một góc khối  chắn hình cầu R với diện tích S1=2R2(1-cos) và hình cầu kR với diện tích S2= 2k2R2(1-cos). Khi đó góc khối là: S1 k 2 R2 S   2  2 (1  cos ) 2 2 (1  cos )  2 2 R (kR) (kR) 10
Hình 1.7a. Góc khối chắn hình cầu Hình 1.7b. Góc khối chắn hình nón Cho mặt cầu tâm O, bán kính R. Góc khối chắn bởi hình nón đỉnh tại O, góc đỉnh 2, diện tích mặt cầu bị chắn là S. Ta có góc khối S 2Rh 2R( R  R cos )   2   2 (1  cos ) R2 R R2 Ta thấy góc khối là đại lượng không phụ thuộc bán kính R. Trường hợp tại đỉnh O nhìn toàn bộ mặt cầu (=1800) ta có góc khối lớn nhất  = 4 (Sr) Tính góc khối chắn diện tích dS bé tuỳ ý từ điểm O: khi đó ta coi dS là mặt phẳng. Trên dS ta lấy điểm M là trọng tâm của dS, sau đó vẽ mặt cầu tâm O bán kính dS. cos R = OM thì góc khối nhìn diện tích dS từ O là: d   R2 Hình 1.7c. Góc khối nhìn nón Hình 1.7d. Góc khối nhìn cầu 1.5.2. Thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy Năng lượng điện cung cấp cho nguồn sáng không phải biến đổi hoàn toàn thành ánh sáng mà biến đổi thành nhiều dạng năng lượng khác nhau như hóa năng, bức xạ nhiệt, bức xạ điện từ. Các bức xạ ánh sáng chỉ là một phần của bức xạ điện từ 11
do nguồn phát ra. Dưới góc độ kỹ thuật chiếu sáng ta chỉ quan tâm đến năng lượng bức xạ ánh sáng nhìn thấy mà thôi, do đó người ta đưa ra khái niệm thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy, đó là phần năng lượng bức xạ thành ánh sáng của nguồn sáng trong một giây theo mọi hướng được xác định theo các công thức: 2 Phổ ánh sáng liên tục: W  .d với 380nm ≤ 1, 2 ≤ 780nm  1 780nm Phổ ánh sáng ban ngày (loại phổ liên tục):  W  .d 380nm n Phổ ánh sáng rời rạc (quang phổ vạch)  Pi  i 1 Trong đó: W() là phân bố phổ năng lượng của nguồn sáng (W/nm). P(i) là mức năng lượng của tia đơn sắc thứ i phát ra từ nguồn sáng (W) i là bước sóng của tia đơn sắc thứ i thoả mãn 380nm ≤ i ≤ 780nm Đơn vị đo của thông lượng là (W) Khái niệm: Thông lượng năng lượng của ánh sáng nhìn thấy là một khái niệm có ý nghĩa quan trọng về mặt vật lý. Tuy nhiên trong kỹ thuật chiếu sáng thì khái niệm này ít được quan tâm. Thật vậy, giả sử có hai tia sáng đơn sắc màu đỏ (=700nm) và màu vàng (=577nm) có cùng mức năng lượng tác động đến mắt người thì kết quả nhận được là mắt người cảm nhận tia màu đỏ tốt hơn màu vàng. Điều này có thể giải thích là do sự khúc xạ qua mắt (vai trò là thấu kính hội tụ) khác nhau: các tia sáng có  bé bị lệch nhiều và hội tụ trước võng mạc, các tia có  lớn thì lại hội tụ sau võng mạc, chỉ có tia =555nm (vàng) là hội tụ ngay trên võng mạc. Trên cơ sở này người ta xây dựng đường cong hiệu quả ánh sáng V() của mắt người (hình 1.8). Đường cong 1 ứng với thị giác ban ngày và đường cong 2 ứng với thị giác ban đêm. Biểu thức gần đúng của đường cong V() được cho trong phụ lục ở cuối sách, đồng thời trong phụ lục cũng có bảng giá trị của hàm V() . 12
Hình 1.8. Đường cong hiệu quả ánh sáng V() Như vậy rõ ràng thông lượng năng lượng không thể dùng trong kỹ thuật chiếu sáng phục vụ con người, do đó người ta phải đưa vào một đại lượng mới trong đó ngoài W() còn phải kể đến đường cong V(), đại lượng này gọi là quang thông và được xác định như sau: n Nguồn sáng phát quang phổ vạch (đèn chiếu sáng):   Pi .V i  i 1 Nguồn sáng đơn sắc:  = 683.P().V() với =const 2 Nguồn sáng có quang phổ liên tục:   380  W  .d  1 780nm Ánh sáng ban ngày:   380 W  .d  380nm Trong : n là tổng số tia sáng đơn sắc do nguồn phát ra P(i) là mức năng lượng của tia đơn sắc thứ i (W) W() là phân bố phổ năng lượng của các tia sáng liên tục (W/nm) i là bước sóng của tia đơn sắc thứ i (nm) 683 lm/W là hằng số vật lý xuất phát từ định nghĩa đơn vị cường độ sáng (Cadela), biểu thị sự chuyển đổi đơn vị năng lượng sang đơn vị cảm nhận thị giác. Giá trị 683 được đưa vào để tạo ra giá trị tương đương với định nghĩa cũ của cadela. 1 và 2 là giới hạn bước sóng (cận dưới và trên) của quang phổ liên tục Ý nghĩa: Về bản chất, quang thông cũng chính là năng lượng nhưng ở đây đơn vị tính không phải bằng Oát mà bằng Lumen. Đây là đại lượng rất quan trọng dùng cho tính toán chiếu sáng, thể hiện phần năng lượng mà nguồn sáng bức xạ thành ánh sáng ra toàn bộ không gian xung quanh. Để thấy rõ sự khác nhau giữa Oát và Lumen ta có sự so sánh sau: 13
Giả sử có một nguồn sáng công suất 1W biến đổi toàn bộ công suất này thành ánh sáng nhìn thấy. Nếu ánh sáng nó phát ra là một tia đơn sắc = 555nm (màu vàng) sẽ cho quang thông 683 lm nhưng nếu ánh sáng phát ra là quang phổ liên tục với năng lượng phân bố đều thì quang thông khoảng 179 lm (xem phụ lục 1). Ký hiệu:  (ký hiệu chữ cái Hy Lạp, đọc là phi) Đơn vị: Lm (Lumen). Lumen là quang thông do nguồn sáng phát ra trong một góc khối bằng 1 Sr Ví dụ giá trị quang thông một số nguồn sáng thông dụng: Xét một nguồn sáng điểm có cường độ sáng I không đổi theo mọi phương thì 4 quang thông là :    Id   4 0 Thiết bị dùng để đo quang thông gọi là Lumen kế. Quang thông do mặt trời gửi xuống trái đất là 145.1017lm 1.5.3. Quang hiệu Định nghĩa: Quang hiệu là tỷ số giữa quang thông do nguồn sáng phát ra và công suất điện mà nguồn sáng tiêu thụ. Ý nghĩa: Trong kỹ thuật chiếu sáng người ta không dùng khái niệm hiệu suất theo nghĩa thông thường (tính theo tỷ lệ %) mà sử dụng khái niệm quang hiệu. Quang hiệu thể hiện đầy đủ khả năng biến đổi năng lượng mà nguồn sáng tiêu thụ thành quang năng. Một số tài liệu gọi khái niệm này là hiệu suất của nguồn sáng. Tuy nhiên, nếu ta sử dụng khái niệm hiệu suất thì sẽ liên tưởng đến tỉ lệ % (giá trị ≤ 1) giữa các đại lượng cùng đơn vị đo. Trái ngược hoàn toàn với quan niệm về hiệu suất, quang hiệu lại có giá trị lớn hơn 1 rất nhiều và là tỉ số của 2 đơn vị đo khác nhau (lm/W) do đó việc dùng khái niệm hiệu suất là không hợp lý. Ký hiệu:  (Chữ cái Hy Lạp, đọc là êta). Đơn vị: lm/W (lumen/Oát) Ví dụ: Quang hiệu một số nguồn sáng thông dụng (theo tài liệu Schréder năm 2006). Nguồn sáng Công suất(W) Quang thông(Lm) Quang hiệu (Lm/W) Bóng đèn dây tóc 100 1500 15 Bóng huỳnh quang 36 2600 80 Bóng compact 20 1200 60 Bóng cao áp thủy ngân 250 13000 52 Bóng cao áp MetalHalide 250 20000 80 Bóng cao áp Sodium 250 27000 108 14
1.5.4. Cường độ sáng Khái niệm: Xét trường hợp một nguồn sáng điểm đặt tại O và ta quan sát theo phương Ox. Gọi dlà quang thông phát ra trong góc khối dΩ lân cận phương Ox. d  Cường độ sáng của nguồn theo phương Ox được định nghĩa là: I  d Cường độ sáng I của nguồn phụ thuộc vào phương quan sát. Trong trường hợp đặc biệt, nếu I không thay đổi theo phương nguồn đẳng hướng), ta có quang thông phát ra trong toàn không gian là:   4 I Ý nghĩa: Cường độ sáng là đại lượng quang học cơ bản, các đại lượng quang học khác đều là đại lượng dẫn suất xác định qua cường độ sáng Ký hiệu: I (Viết tắt của tiếng Anh là Intensity: cường độ) Đơn vị: Cd (cadela). Cadela có nghĩa là “ngọn nến”, đây là một trong 7 đơn vị đo lường cơ bản (m, kg, s, A, K, mol, cd). Định nghĩa: Cd “Cadela là cường độ sáng theo một phương đã cho của nguồn phát bức xạ đơn sắc có tần số 540.1012Hz (=555mm) và cường độ năng lượng theo phương này là 1/683 W/Sr”. Ví dụ: Đèn sợi đốt 40W/220V có I = 35 Cd (theo mọi hướng) Ngọn nến có I = 0,8 Cd (theo mọi hướng) Theo định nghĩa với nguồn sáng đơn sắc = 555nm thì 1W = 683lm. Nếu nguồn sáng đơn sắc có ≠555nm thì 1W = 683.V(). Ví dụ: nguồn sáng đơn sắc có = 650nm thì 1W = 683.0,2 = 136,6 lm X d I d O Hình 1.9. Nguồn sáng đơn sắc 1.5.5. Độ rọi Khái niệm: Giả thiết mặt S được rọi sáng bởi một nguồn sáng. Độ rọi tại một điểm d nào đó trên mặt S là tỉ số E  , trong đó d là quang thông toàn phần do nguồn dS gửi đến diện tích vi phân dS lân cận điểm đã cho. 15