Giáo trình Kỹ thuật chiếu sáng: Phần I

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:46

Thêm vào BST

Báo xấu

342
lượt xem 87
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật chiếu sáng: Phần I trình bày những nội dung chính: khái niệm về ánh sáng, cơ cấu của mắt, tính năng nhìn rõ của mắt, các đại lượng đặc trưng cho ánh sáng, quang thông, cường độ ánh sáng, độ rọi, độ chói, độ tương phản - tính năng nhìn độ nhìn rõ, các đặc tính của nguồn sáng, nguyên lý tạo các đèn điện và chỉ tiêu đánh giá, đèn sợi đốt,... Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên và giảng viên khoa Điện.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật chiếu sáng: Phần I

Chương mở đầu: ÁNH SÁNG VÀ TỰ NHIÊN. §1. ÁNH SÁNG LÀ GÌ? *Ánh sáng là sóng điện từ - Là các nguồn bức xạ điện từ trong tự nhiên , nhân tạo.Các BXĐT có bước sóng α rất rộng mà ánh sáng chỉ là một phần trong đó.tốc độ truyền của ánh sáng :- -.Tốc độ truyền của ánh sáng : C=γ. α Trong đó γ là tần số ánh sáng. -Ngoài tính chất hạt tính chất điện t ừ được thể hiện bằng 2 vectơ cường độ từ trường E và B lan truyền và suy giảm dần trong không gian theo luật hình sin -Ánh sáng tự nhiên là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc. Chiếu sáng. Page 1
Hồng ngoại Đỏ M tím Quang phổ :Tím , xanh da trời , xanh lam,vàng cam, đỏ. Theo tiêu chuẩn quốc tế (CIE) đưa ra tiêu chuẩn phối màu: 380 439 498 508 592 631 780 nm 555 Tử Xanh Xanh Vàng Cam Đỏ Hồng ngoại lục ngoại 412 470 51.5 577 600 673 555nm là bước sóng có khả năng gây cảm giác thị giác tốt nhất Chiếu sáng. Page 2
§2 CƠ CẤU CỦA MẮT.  Cấu tạo của mắt : Thủy tinh thể vùng ngoài A Vùng giữa B Võng mạc Nhãn cầu -Nhãn cầu thực chất là một thấu kính mềm có khả năng điều tiết tiêu cự của nó để hướng độ sáng của nó vào võng mạc -Võng mạc là nơi tập trung các thần kinh thị giác .Có 2 loại chính : +Vùng tập trung cỡ 7 triệu noron thần kinh hình nón dùng đẻ cảm thụ mức chiêu sáng cao ,có chức năng thị giác ánh sáng vào ban ngày và màu của sự vật . +Vùng ngoài (xung quanh) tập trung 120 triệu noron thần kinh hình que dùng để tri giác ánh sáng ở mức thấp chỉ nhận thức được mức độ trắng sáng hay tối của mắt. §3.TÍNH NĂNG NHÌN RÕ CỦA MẮT -Do các tế bào hình nón tập trung ở giữa võng mạc nên mắt và tri giác được rõ nét hình ảnh các tia sáng tập trung vào giữa võng mạc .Nói cách khác khi chúng ta nhìn 1 sự vật chúng ta không tri giác màu sắc của sự vật lân cận . Chiếu sáng. Page 3
-Năng lực nhìn , các thí nghiệm cho thấy mắt co khả năng quan sát phân biệt được hai điểm quan sát sai lêch nhau 0,017 độ(góc α). -Tính năng nhìn của mắt được đánh giá bởi hàm Vphụ thuộc bước sóng ánh sáng V(α) nói lên khả năng quan sát của người. V=1 tức nhin rõ 100%. V=0 không nhìn thấy gì .  Tính năng nhìn của mắt rất phụ thuộc vao bước sóng  khái niệm đường cong hiệu quả V(α) phân biệt giữa ngày và đêm. Ban đêm Ban ngày α(nm) Chương 1: CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO ÁNH SÁNG Các đại lượng ánh sáng :Quang thông Ф Độ rọi E Cường độ I Độ chói L Định luật Dalambert cho mối quan hệ giữa Lv Chiếu sáng. Page 4
§1 . QUANG THÔNG . *Mọi bức xạ điện từ nói chung gây ra các hiệu ứng khác nhau :hóa , nhiệt , điện từ …với dải tần rất rộng .Nếu gọi W(λ)là phổ tần năng lượng của ánh sáng thì tồng năng lượng của nguồn bức xạ  W=  w( α)dα 0 Tuy nhiên trong đó chỉ một phần 780 W=  w( α)dα là năng lượng tạo ra ánh sáng.Nhưng xét đến tính năng của 380 mắt ,xétđến năng lượng gây ra hiệu ứng nhìn thấy cho mắt người ta đinh nghĩa 780 Ф=  w( α).V(α).dα –Quang thông nguồn bức xạ  là phần năng lượng 380 thực sự gây hiệu ứng nhìn thấy cho mắt. [Ф]-lin(lumen). Định nghĩa quang thông: Quang thông của nguồn sáng là tổng thông năng lượng gây hiệu quả ánh sáng với mắt người nó biểu diễn phần năng lượng của nguồn tạo ra ánh sáng nhìn thấy *Hiệu suất phát quang : Định nghĩa: Nếu 1 nguồn sáng tiêu thụ công suất là P(w) và quang thông có thông lượng là Ф thì tỉ số :  η= [ lm\w]  được gọi là hiệu suất phát quang của nguồn. Chiếu sáng. Page 5
 là chỉ số quan trọng nói lên tính kinh tế của nguồn . VD: Đèn sợi đốt 220v/100w  Ф= 1390lm 220v/40w  Ф=430lm  ηđèn sợi đốt =(1520)lm/w ηhuỳnhquang=(60:80) lm/w. §2. CƯỜNG ĐỘ ÁNH SÁNG. *Góc khối. -Nếu từ tâm O của quả cầu bán kính R chúng ta nhìn thấy diện tích S trên mặt cầu thì người ta định nghĩa : S Ω= 2 -Góc khối steradian. R Biết Scầu=4п . R2  Ωđầy=4п(steradian). →Nhận xét :-Nếu chúng ta nhìn sự vật dưới cùng một góc khối Ω khoảng cách tăng lên k lần diện tích tăng lên k2 lần. *Cường độ ánh sáng I: đặc trưng cho mức độ ánh sáng ánh sáng theo các phương khác nhau. -Nói chung ánh sáng không phải phát đi như nhau theo các phương khác nhau vì vậy để đặc trưng cho thông lượng ánh sáng theo một phương nào đó -Xét nguồn sáng ∆S góc khối ∆Ω: Chiếu sáng. Page 6
ΔФ ΔS Cường độ sáng phát về điểm A:  d  I= 0 lim = .→thực chất I chính là quang thông phát đi theo 1 phương .  d  [I]=cd -Định nghĩa candela:là cường độ ánh sáng theo một phương của nguồn bức xạ ,ánh sáng đơn sắc có bước sóng α=555nm và cường độ năng lượng theo phương này bằng 1/683(W/Sr); VD:Nếu I=0.8cd(theo mọi phương Đèn sợi đốt 40W/220V I=100cd Đèn sợi đốt 300W/220V I=100cd đến 150 cd khi lắp trong bộ đèn . Đèn dẳng hướng , Biết quang thông Ф: 4 d  I= .→ dФ=IdΩ→Ф=I  dΩ=4пI.→I= . d 0 4 +Thực tế thường gặp đèn đặt trong quả cầu mà có hệ số thấu quang ‫ 7.0( 1< ح‬đến o.9) ta có : I=τ.Ф\4п; +Đèn đặt trong bộ đèn (chao đèn ) Ta định nghĩa đường cong trắc quan là đường cong cho quan hệ I(γ ) –γ góc dư vĩ. →cho phân bố I trong tọa độ cực . →Đường trắc quang là thông số đầu tiên và quan trọng nhất trong một bộ đèn →cho biết phân bố quang thông của một bộ đèn trong không gian . Chiếu sáng. Page 7
-Tính Ф: Mọi đường cong trắc quang đều cho với một nguồn sáng tiêu chuẩn 1000lm đặt 4 trong bộ đèn .  quang thông của bộ đèn : Ф=  I dΩ. 0 §3. ĐỘ RỌI . 1 -Độ rọi trung bình : -Xét mọt nguồn sáng phát thông lượng ánh sáng Ф xuống diện tích S Ф nguồn sáng S -Định nghĩa độ rọi E trên mặt phẳng S  E= (lm/ m2 ) S -Ý nghĩa :đặc trưng cho mức độ được chiếu sáng của sự vật .Vì vậy nó là đại lượng rất quan trọng đánh giá chỉ tiêu chiếu sáng của một không gian .Vì vậy trong thiết kế chiếu sáng nội thất đây là chỉ tiêu tiêu chuẩn đầu tiên được quan tâm . -Độ rọi cho các không gian tiêu chuẩn khác nhau được tra trong các bảng TCVN,CIE. VD:phòng học 300  500 lux. Chiếu sáng. Page 8
Phòng triển lãm 600  1000 lux.  2 –Độ rọi trên một điểm. n dS -Xét nguồn sáng đặt tại O A   α=( I , n ); dΩ nhìn tích là ds.cosα (diện tích đường bao). dS Có: dΩ=cosα. 2 r Mặt khác : dФ=IdΩ Lại có: d  I cos  EA= = 2 dS r h *Đèn treo trên cột: d 3  = cos I cos  Ea= 2 2 d d Ví dụ: Cho đèn 220V/150W(không có chao) h=4m, AH=3m. Tính EA. 4 4 Cosα= = ; 32  42 5 Chiếu sáng. Page 9
§4. ĐỘ CHÓI. 1-.Độ chói khi nhìn trực tiếp vào nguồn sáng. -Đo mức độ gây ra hiện tượng lóa mắt. -Khi ta nhìn vào nguồn sáng mà ta cảm nhậ được sự chói không chỉ phụ thuộc vào cường độ I mà còn phụ thuộc vào cách nhìn liên quan đến góc quan sát đến diện tích của mặt quan sát .  -Nếu chúng ta quan sát mặt dS ( I ) dưới góc nghiêng α thì độ chói mà ta nhận được chính là tỉ số giữa cường độ sáng của nguồn và diện tích mà ta quan sát được. dI L= (cd/m2) dScos - Trong trường hợp chung nếu ánh sáng có phân bố I đều có diện tích phát sáng lá S thì : I L= .; S - Một số diện tích biểu biến thường gặp +Đèn cầu :S=п . R 2 . +Đèn huỳnh quang : S=l.d VD:Tính L của đèn cầu có D=0,1m trắng ,  =0.75.trong đặt một bóng huỳnh quang.P=80W. Với P=80W tra bảng ta có Фlm=3850(lm) I=  Ф/4п=230(cd) Chiếu sáng. Page 10
L=I/Sbk=25 →lớn τ Þ gây chói mắt . -Theo tiêu chuẩn Lgh=500cd/ m 2 Lmin= 10- 5 cd/ m 2 2-Độ chói khi quan sát một vật được chiếu sáng.Định luật Lambert. a-Phản xạ khuyếch đại hoàn toàn. -Xét một bề mặt được chiếu sáng bởi nguồn sáng S khi đó nguồn sáng có cách ứng xử khác nhau. +Nếu được cấu tạo bởi các hạt mịn đồng nhất phẳng thì sẽ có hiện tượng phản xạ khuyếch tán hoàn toàn xảy ra .Có đặc điểm : +Độ chói L của nguồn sáng gây ra không đổi và như nhau ở mọi phương diện nhìn. +Vector do S gây ra có phân bố tạo thành một mặt cầu tiếp xúc với điểm tới của tia sáng và có đường kính L.S +Có cường độ của tia sáng Iα=L.Scosα . -Tính L: +Định luật lambert :trong trường hợp có phản xạ khuếch tán hoàn toàn lên mặt phẳng có hệ số phản xạ là ρ độ rọi là thì độ chói là do mặt phẳng gây ra : E.ρ=Lп →Định luật này cũng đúng với trường hợp là nguồn sáng (tức ánh sáng đi qua một vật liệu cho phép ánh sáng đi qua với mức độ τ xuyên sáng . Chiếu sáng. Page 11
Khi đó: τE = LI 2 Ví dụ : Xét tờ giấy trắng có hệ số phản xạ ρ = 0.7 , nếu được chiếu sáng E = 600 E 0, 7.600 L= = = 133.7 p p §.5 ĐỘ TƯƠNG PHẢN –TÍNH NĂNG NHÌN ĐỘ NHÌN RÕ. 1. Độ tương phản C. Lo - L  VL DL C= = = L L L Trong đó : Lo độ chói khi ta nhìn đối tượng Lσ độ chói của phòng. C- đặc trưng cho mức độ quan sát nhìn rõ vật. Thực tế c= 10-2 là giá trị ngưỡng . C
2.Tính năng nhìn. -bằng thực nghiệm cho thấy năng lực quan sát của mắt người tỉ lệ thuận với C .C tỉ lệ với lgC.Vì vậy người ta định nghĩa lgC là tính năng nhìn của mắt và trong các đồ thị đườn cong biểu diễn hay dùng lgC. 3.Độ nhìn rõ Vis. C Vis = Cs;ngưỡng tương phản nhỏ nhất mà mắt ngườicòn nhìn thấy Cs được→quan hệ giữa Lf và C. §6. CÁC ĐẶC TÍNH CỦA NGUỒN SÁNG . 1.Nhiệt độ màu của nguồn sáng ToK. -đây là đặc trưng quan trọng cho màu sắc của nguồn sáng. -Để so sánh chất lượng về màu sắc của ánh sáng với ánh sáng tự nhiên ban ngày người ta đưa ra khái niệm về nhiệt độ màu , nó mô tả bằng cách so sánh ánh sáng của nó với ánh sáng bức xạ của một vật đen tuyệt đối được nung sáng đến các nhiệt độ như nhau trong khoảng (2000 đến 10.0000) K.Khi đó chuẩn nhiệt độ nhỏ nhất sẽ quyết định phổ tần bức xạ và do vậy quyết định được màu sắc ánh sáng . Đồ thị (32): W(α). T0(K) Màu 1500 Đỏ 2000 Đỏ- trắng 3000 Đỏ trắng ấm 4000-5500 Ánh sáng ban ngày 7000-10000 Ánh sáng lạnh Biểu đồ kruithof:nghiên cứu sinh lý nhìn của mắt người trong mối tương quan đến nhiệt độ mà độ rọi để đảm bảo tiện nghi nhìn . Chiếu sáng. Page 13
→ý nghĩa :đây là cơ sở khoa học đầu tiên cho chúng ta chọn nguồn sáng cho các ứng dụng yêu cầu các độ rọi khác nhau . →nói chung các loại đèn có nhiệt độ màu thích hợp cho chúng ta có cảm giác nóng và vì vậy nó được ứng dụng ở nhiều nơi có yêu cầu độ rọi thấp . -các đèn có nhiệt độ màu cao thì gây cảm giác lạnh ,màu dùng cho những nơi có mức chiếu sáng cao. 2.-Chỉ số hoàn màu Ra -Cùng một sự vật được chiếu sáng bằng các nguồn sáng khác nhau thì sẽ thể hiện các màu sắc khác nhau .Ra đặc trưng cho nguồn về sự thể hiện màu sắc trung thực của sự vật được chiếu sáng. Nó là thông số nói lên chất lượng của nguồn sáng .Nó rất quan trọng trong khi lựa chọn nguồn sáng ứng dụng trong thiết kế. Ra=0 ³ ÷100 Và càng cao chất lượng càng tốt Ra=0→đúng với mọi ánh sáng đơn sắc . Ra=100→ánh sáng tự nhiên Ra
Đ α Ψ 1,7m 1,5m 2,3m Chương 2: CÁC DỤNG CỤ CHIẾU SÁNG. §1 NGUYÊN LÝ TẠO CÁC ĐÈN ĐIỆN VÀ CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ. 1.Nguyên lý. -Có 3 nguyên lý chính: *Nguyên lý đèn sợi đốt: -đốt sợi kim loại bằng bằng điện đến nhiệt độ cao tới 1000→20000K thì bắt đầu có bức xạ có bước sóng lớn nằm trong vùng hồng ngoại. Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thìxuất hiện ánh sáng và phổ của nó sẽ dịch dầnvề phía bước sóng ngắn khi nhiệt độ tăng.Nhiệt độ màu cũng nói lên chất lượng ánh sáng khi tăng nhiệt độ đốt nóng .Vật liệu thường dùng làm sợi đốt là vonfram. Chiếu sáng. Page 15
-Hằng số phát quang (10÷20) lm/w→hiệu suất thấp .Hiện nay dùng sợi đốt xoắn kép để nâng hiệu suất quang năng(tập trung năng lượng vào diện hẹp). *Nguyên lý phóng điện trực tiếp -Nếu cho phóng điện trong 1 ống phóng có chứa Na hoặc Hg ở áp suất và nhiệt độ thích hợp sẽ có các ánh sáng đơn sắc nằm trong vùng nhìn thấy. -Hiện nay nó là loại cho hiệu suất cao nhất .Nhược điểm của nó là chất lượng ánh sáng không cao→thường sử dụng trong không gian lớn ngoài trời. *Nguyên lý phóng điện kết hợp với huỳnh quang . -Cũng cho phóng điện trong ống phóng trong điều kiện thích hợp để tạo ra bức xạ nằm trong vùng tử ngoại có bước sóng ngắn không nhìn thấy gọi là bước sóng sơ cấp .Sau đó chúng kích hoạt lên lớp huỳnh quang quét trong thành ống để phát ra ánh sáng nhìn thấy ,màu sắc và chất lượng ánh sáng phụ thuộc rất nhiều vào lớp huỳnh quang. -Đặc điểm : +Tạo ra các loại đèn có hiệu suất cao khoảng 20%÷22% -Chất lượng ánh sáng tương đối tốt. 2.Các tiêu chuẩn đánh giá một nguồn sáng. Có 4 tiêu chuẩn đánh giá. a)-Hiệu suất phát quang của đèn. -nó là chi tiêu quan trọng về kinh tế. η=(10÷2000) lm/w. b)-Tuổi thọ D(h) -tuổi thọ trung bình của một loại đèn. -chỉ tiêu quan trọng Chiếu sáng. Page 16
D=(1000÷2000)lm/w c)-Nhiệt độ màu T0K -Đây là chỉ tiêu phản ánh tiện nghi chiếu sáng trong một không gian.Trong thực tế thường phải được phối hợp với độ rọi theo bản đồ kruithof. -Nhiệt độ màu(200÷7000)0K. d)-Chỉ số hoàn màu Ra. -Nói lên chât lượng chiếu sáng của nguồn ,phản ánh độ trung thực , màu sắc của sự vật trong không gian được chiếu sáng ,Cùng T0K thì Ra là chỉ tiêu chất lượng ,chỉ tiêu kĩ thuật của không gian thế. §.2 .ĐÈN SỢI ĐỐT. 1.Cấu tạo . *vỏ: là một quả cầu thủy tinh chịu nhiệt độ có pha một hàm lượng nhỏ P nhằm tạo ra mọt hằng số thấu qua τ. *sợi đốt làm bằng sợi vonfram với sợi dây xoắn kép t0lv=35000K.Tuổi thọ trung bình khoảng một nghìn giờ. *Đuôi đèn: là phần để nối điện giữa bóng đèn và nguồn.Có 2 loại phổ biến: -Đuôi cài :tháo lắp dễ nhưng tiết kiệm điện kém→ứng dụng cho công suất nhỏ. Đuôi xoáy :thường dùng cho các cấp khác nhau từ nhỏ đến lớn. 2.Các chỉ tiêu đánh giá. -tuổi thọ thấp nhất trong các loại bóng hiện nay phụ thuộc vào U Chiếu sáng. Page 17
U dm 13,5 D=Dđm( ) D,U chế độ làm việc bình thường U D/Dđèn Ф(u) P(u) 1 U/Uđm VD:Uđm=220v;Dđm=1000 U=250V D=178h. U dm 3,5 Quang thông :Ф=Фđm( ) U U dm 1,5 Công suất :P=Pđm( ) U -Hiệu suất phát quang thấp (5%) -Nhiệt độ màu thấp →ứng dụng cho chiếu sáng mức thấp -Chỉ tiêu về chỉ tiêu hoàn màu cao Ra≈100→có thể ứng dụng cho chiếu sáng cục bộ,trang trí các đèn làm việc . -Ưu điểm nổi trội là cấu thành đơn giản,nhưng cần thời gian khởi động. Chiếu sáng. Page 18
3.Đèn halogen sợi đốt. -Là loại đèn sợi đốt cải tiến bằng cách cho thêm một tỉ lệ thích hợp khí halogen trong bóng đèn sợi đốt. Ưu điểm : +Tăng tuổi thọ. +Tăng khả năng phát quang của đèn. +T0màukhoảng 30000K +Ra-=100 +D=3000h +Hiệu suất phát quang =(20÷25)lm/W Phân loại : +Đèn clien:U=(12÷220V) +Đèn quả nhót :P=10,20,30,50W +Đèn đũa U=220V,P=100÷2000W Dùng trong không gian lớn đòi hỏi áp suất cao.(cho sân thể thao ,sàn diễn cầu truyền hình màu, triển lãm nghệ thuật ,sân khấu) Theo bảng (49) cho thấy bóng có công suất lớn thì hiệu suất càng cao trong chừng mực có thể được. §3 .ĐÈN HUỲNH QUANG. Hoạt động theo nguyên lý phóng điện kết hợp với huỳnh quang .có 3 loại: +Đèn ống +Đèn thủy ngân cao áp +Đèn compac. Chiếu sáng. Page 19
1 .Đèn ống huỳnh quang -Gồm 1 ống phóng điện 2 đầu có điện cực đốt nóng chứa argông cộng với một lượng nhỏ hg ở áp suất thấp P=0,01Hg Điện cực acgong huỳnh quang -nguyên lý phát sáng:nếu đặt U đủ lớn lên hai điện cực khi sợi đốt đã được đốt nóng sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện tạo ra các tia cực tím (α=254nm) chúng kích hoạt lên thành ống tác dụng vào lớp huỳnh quang làm cho chúng phát sáng. W Bức xạ thứ cấp 254 400 800 α BX sơ cấp Tùy thuộc lớp bột huỳnh quang mà T0màu=30000→ánh sáng vàng ấm T0màu=40000→ ánh sáng nhạt T0màu=50000→ ánh sáng ban ngày Chiếu sáng. Page 20