EleRas_predavanje_2

SVJETLOTEHNIČKE VELIČINE I JEDINICE

Prof.dr.sc. Slavko Krajcar

Aljoša Šribar, dipl.ing. OSRAM d.o.o.

Električna rasvjeta, 2012/2013

Uvod• Svjetlost se vrednuje na dva načina: fizikalnim veličinama i svjetlotehničkim veličinama.

• Fizikalnim se veličinama svjetlost opisuje u onom djelu gdje svjetlost promatramo energetski, kao elektromagnetski val ili kao energetsku česticu.

• Svjetlotehničke odnosno fotometrijske veličine vrednuju svjetlost na temelju osjetilnog efekta i ograničene su samo na vidljivo zračenje spektra 380 do 780 nm.

• Da bi se ove jedinice razlikovale dodaje im se indeks e za fizikalne i v za fotometrijske. Ako se odnose samo na određenu valnu duljinu dodaje se još oznaka , a ako se odnose na neki spektar onda se u zagradi piše npr. V().

Veličina Oznaka Formula Mjerna jedinica

Svjetlosni tok Ø Ø = I× Lumen [lm]

Jakost svjetlosti I I = Ø / Candela [cd]

Rasvijetljenost E E = Ø / A Lux [lx]

Sjajnost (luminancija)

L L = I / ACandela po kv.metru [cd/m2]

Ø I

E L

/A /A

/

/

Međusobni odnosi svjetlotehničkih veličina

A - osvijetljena ili svjetleća površina [m2]

- prostorni kut [sr]

2


Fotometrijske formule

• Prostorni kut predstavlja omjer površine kugle (A) i kvadrata njenog polumjera (r).

• = A/r2

• SI jedinica mjere je steradijan (sr). Puni prostorni kut iznosi 4 sr.

Jakost svjetlosti ISvjetlosni tok u određenom smjeru

Prostorni kutI[cd] = Ø[lm]/[sr]

Svjetlosni tok Ø Jakost svjetlosti × Prostorni kut Ø[lm] = I[cd] × [sr]

Rasvijetljenost ESvjetlosni tok = Jakost svjetlosti

Rasvijetljena površina Kvadrat udaljenosti

E[lx] = Ø[lm]/A[m2] =

I[cd]/d2[m2]

Luminancija LJakost svjetlosti

Svjetleća površina

L[cd/m2] = I[cd]/A[m2]

Svjetlosna

iskoristivost Svjetlosni tok

Električna snaga[lm/W] = Ø[lm]/P[W]

A = Površina kugle

r = Polumjer kugle

3


Svjetlosni tok• Svjetlosni tok predstavlja snagu zračenja koju emitira izvor svjetla u svim smjerovima. Ovo zračenje

ljudsko oko vrednuje kao svjetlost prema krivulji osjetljivosti ljudskog oka. Jedinica za svjetlosni tok je lumen [lm]. To je izvedena jedinica SI sustava - točkasti izvor svjetla ima svjetlosni tok od 1 lm kada u prostorni kut od 1 sr zrači jakošdu svjetlosti od 1 cd.

• Svjetlosni tok standardne žarulje sa žarnom niti snage 100 W iznosi 1.380 lm, a kvalitetne fluorescentne cijevi snage 18 W iznosi 1.350 lm.

• Da bi mogli povezati fotometrijske i fizikalne veličine, koristimo konstantu razmjernosti K(), koju nazivamo fotometrijski ekvivalent zračenja. Tako vrijedi:

• gdje je Km maksimalni fotometrijski ekvivalent zračenja i iznosi 673 lm/Wkod monokromatskog zračenja od 555 nm.

dVK emv )(

4


Jakost svjetlosti• Jakost svjetlosti predstavlja snagu zračenja koju emitira izvor svjetla u određenom smjeru. Jedinica za

jakost svjetlosti je candela [cd]. To je osnovna jedinica SI sustava - definirana kao jakost svjetlosti koju u određenom smjeru zrači monokromatski izvor svjetla frekvencije 540×1012 Hz i snage zračenja u tom smjeru od 1/683 W/sr.

• Jakost svjetlosti može se predstaviti vektorom. Spajanjem svih vrhova vektora u jednoj ravnini izvora svjetlosti dobiva se krivulja distribucije jakosti svjetlosti (fotometrijska krivulja). Obično se kod prikaza fotometrijske krivulje odabiru standardizirane ravnine.

• Izvori svjetlosti sa simetričnom karakteristikom definiraju se svjetlosnim tokom u lumenima, i za njih vrijedi da je Ø = 4I [lm], a ostali (npr. reflektorske žarulje) pomodu jakosti svjetlosnog toka.

• Vrijedi: I = Iv = dØv / d, odnosno za konačni tok: I = Ø/ .

5


Rasvijetljenost• Rasvijetljenost je mjerilo za količinu svjetlosnog toka koja pada na određenu površinu. Jedinica za

rasvijetljenost je lux [lx] i to je izvedena jedinica SI sustava. Lux je definiran kao rasvijetljenost 1 kvadratnog metra na koju pada ravnomjerno raspodijeljen svjetlosni tok od 1 lm. Radi se o isključivo računskoj veličini, koju naše oko ne primjeduje.

• Vrijedi:

E = Ev = dØv / dA, odnosno za konačni tok: E = Ø/ A. Također vrijedi (zbog = A/r2 i Ø=I× ) E = I/r2. Ovaj izraz vrijedi ako svjetlost pada okomito na površinu koju rasvjetljava, a ako pada pod kutom , potrebno je izraz pomnožiti s cos.

Primjer Rasvijetljenost [lx]

Rasvjeta operacijskog stola 20.000 - 120.000

Sunčan ljetni dan 60.000 - 100.000

Oblačan ljetni dan 20.000

Oblačan zimski dan 3.000

Dobro rasvijetljeno radno mjesto 500 - 750

Pješačka zona 5 - 100

Noć s punim mjesecom 0,25

Noć s mladim mjesecom 0,01

6


Rasvijetljenost

300 lxsredina sobe

2.500 lxuz prozor

10 lx u podrumu

6.000 lxispod tende

100.000 lxna suncu

10.000 lx u sjeni

7


Rasvijetljenost• Razlikujemo dvije vrste rasvijetljenosti: rasvijetljenost površine i rasvijetljenost u točki.

• Rasvijetljenost površine je omjer svjetlosnog toka izvora svjetlosti koji pada okomito na zadanu površinu i zadane površine. U slučaju da svjetlosni tok pada na zadanu površinu pod kutom , rasvijetljenost je manja i iznosi: E’=Ø’/A = (Ø×cos)/A = E×cos.

• Rasvijetljenost točke određene površine je omjer jakosti izvora svjetlosti koja pada okomito na tu točku i kvadrata udaljenosti, i iznosi E = I/r2. U slučaju da svjetlosni tok pada na točku pod kutom γ, rasvijetljenost u toj točki dobivamo kao rezultantu horizontalne i vertikalne rasvijetljenosti: Eh i Ev.

• Eh = E×cosγ ; Ev = E×sinγ

Rasvijetljenost površine Rasvijetljenost u točki

8


Rasvijetljenost• Vrijede sljedede formule za izračunavanje rasvijetljenosti u točki:

• Srednja vrijednost rasvijetljenosti neke površine izračunava se kao srednja vrijednost rasvijetljenosti određenog broja točaka te površine, tako da vrijedi:

• Ovaj izraz je izuzetno pogodan za proračun srednje rasvijetljenosti, te je osnova rada vedine programa za svjetlotehnički proračun. Raster točaka za proračun definiran je međunarodnim standardima, ili prilagodljiv specifičnim zahtjevima.

Rasvijetljenost Pomoću r Pomoću h

E

Eh

Ev

2r

IE

2

2cos

h

IE

cosr

IE

2h

3

2hcos

h

IE

tgEsinr

IE

h2v

tgE

sincosh

IE

h

2

2v

N

1i

i

mN

EE

9


Luminancija• Luminancija [L] je sjajnost rasvijetljene ili svjetlede površine kako je vidi ljudsko oko. Mjeri se u

candelama po površini *cd/m2+, a za izvore svjetlosti često se koristi i prikladniji oblik *cd/cm2]. Oko posebno dobro vidi razliku između luminancija. Luminancija je jedina fotometrijska veličina koju ljudsko oko može direktno vidjeti.

• Primjer različitih izvora svjetlosti jednake jakosti svjetlosti, ali različite luminancije, koju primjeduje ljudsko oko.

Visoka luminancija

Niska luminancija

Mala promatrana površina

Velika promatrana površina

Izvor svjetla Prosječna luminancija [cd/m2]

Sunce u podne 1,6 ×109

Xenon kino žarulja 0,2 - 5×109

Bistra standardna žarulja 2 × 106 – 2 × 107

Fluorescentna cijev 1,2 × 104

Bijeli oblak 1 × 104

Svijeća 7.500

Vedro nebo 3.000 – 5.000

Mjesec 2.500

Ugodna unutarnja rasvjeta 50 - 500

Bijeli papir pri 500 lx 100

Bijeli papir pri 5 lx 1

Noćno nebo 10-3

10


Luminancija• Luminancija opisuje fiziološki učinak svjetlosti na oko, te predstavlja najvažniji čimbenik projektiranja javne

rasvjete. Kod difuznih refleksivnih površina (faktor refleksije jednak u svim smjerovima), kakve se uglavnom nalaze kod unutarnjih prostora, mogude je jednostavno povezati luminanciju i rasvijetljenost sljededim izrazom:

EL

(Lambertov zakon)

mala luminancija

velika luminancija

• Bududi da je luminanciju u tom slučaju jednostavno izračunati putem rasvijetljenosti (koja se može jednostavno dobiti proračunom), onda se vrijednosti za unutarnju rasvjetu uvijek daju u lx (rasvijetljenost).

• Kod javne rasvjete, gdje okolina nema karakteristike difuzne refleksije, ved prevladava miješana refleksija, ovaj izraz ne vrijedi, i vrijednosti za javnu rasvjetu daje se u cd/m2 (luminancija).

• Pri tome se definira koeficijent luminancije q (sr-1), koji osim o vrsti materijala ovisi i o položaju izvora svjetlosti i promatrača, a da pri tome vrijedi: L=q×E.

Ovisnost luminancije o površini

11


Luminancija

• Luminancija je osjećaj

svjetline koji svjetleća ili

rasvijetljena ploha

emitira u ljudsko oko.

• Mjeri se u kandelama po

površini [cd/m2].

• To je jedina stvarno

vidljiva svjetlotehnička

veličina !

12


Osnovne svjetlotehničke veličine

Svjetlosni tok

Svjetlosni tok je količina svjetla koju emitira izvor

svjetla.Mjerna jedinica: 1 Lumen [lm]

Jakost svjetlosti

Jakost svjetlosti predstavlja svjetlosni

tok u određenom smjeru.

Mjerna jedinica: 1 Candela [cd]

Rasvijetljenost

Prosječna rasvijetljenost neke površine je

svjetlosni tok po jedinici površine:

Lux = Lumen/m2

Luminancija

Luminancija pokazuje utjecaj svjetline neke plohe koju vidi oko.

Mjerna jedinica:Candela /m2 [cd/m2]

13


Ostale svjetlotehničke veličineKoličina svjetlosti - cjelokupna svjetlost koju neki izvor zrači tijekom vremena.

dtQQvv Q=Ø×t, [lms]

Ekspozicija – plošna gustoća rasvijetljenosti

dtEdA

dQHH

v

v

v H=E×t, [lxs]

Svjetlosno isijavanje - isijavanje na točki izvora svjetla je svjetlosni tok kojeg zrači jedinična površina u toj točki

dA

dMM v

v

M= Ø/A, [lm/m2]

Svjetlosna iskoristivost zračenja – omjer između svjetlosnog toka i pripadajuće snage zračenja

ee

vK

Ø svjetlosni tok (svjetlotehnički), a Øe svjetlosni tok (fizikalni), [lm/W].

Budući da je vrijednost K ovisna o valnoj duljini zračenja, definira se fotometrijski ekvivalent zračenja K(λ):

Gdje je Km= 673 lm/W, i predstavlja maksimalni fotometrijski ekvivalent zračenja.

K(λ) je fotometrijski ekvivalent zračenja valne duljine λ.

)(VK)(Km

,e

,v

Svjetlosna iskoristivost zračenja – omjer između toka zračenja po V(λ) krivulji i fizikalnog toka zračenja

m

0

,e

0

,e

K

K

d

d)(V

V

,odnosno za vidljivi dio zračenja

m

nm780

nm380

,e

nm780

nm380

,e

K

K

d

d)(V

V

14


Ostale svjetlotehničke veličine• Svjetlosna iskoristivost izvora svjetlosti

definira se kao omjer dobivenog svjetlosnog toka izvora svjetlosti i uložene snage:

• = Ø/P [lm/W]

• Svjetlosna iskoristivost pokazuje iskoristivost kojom se uložena električna energija pretvara u svjetlost. Teoretski maksimum iskoristivosti, pri kojem se sva energija pretvara u vidljivo svjetlo iznosi 683 lm/W. U stvarnosti vrijednosti su puno manje i iznose između 10 i 150 lm/W.

• Svjetlosna iskoristivost predstavlja jedan od osnovnih parametara za ocjenu ekonomičnosti rasvjetnog sustava.

199 lm/W = teoretska granica za vidljivo svjetlo (380 - 780 nm)

Niskotlačne natrijeve ţarulje

Visokotlačne natrijeve ţarulje

Fluorescentne cijevi

Metalhalogene ţarulje

683 lm/W = teoretska granica za monokromatsko

zeleno svjetlo (555 nm)

Visokotlačne ţivine ţarulje

Specijalne ţarulje, ksenon ţarulje,

ţarulje s miješanim svjetlom

Standardne ţarulje sa ţarnom niti

Ţarulje s ugljenom niti

Tinjalice, elektroluminiscentne ploče

Parafinske ţarulje

Svijeća

15


Izvori svjetlosti klasificirani prema energetskoj učinkovitosti

• Najštedljiviji izvori svjetla imaju oznaku A

• najrastrošniji imaju oznaku G

Halogene ţarulje

Termičko zračenje

Srednja iskoristivost

D

E

Fluorescentne cijevi

Izboj u plinu

Vrlo visoka iskoristivost

A

Štedne ţarulje

Izboj u plinuVisoka iskoristivost

A

B

“Štede energiju”

“Troše energiju”

Odaberite iskoristivost !

C

Standardne ţarulje

Termičko zračenjeNiska iskoristivost

16


Optička svojstva materijala• Kada svjetlo obasjava neki materijal, kao npr. prozorsko staklo, dešavaju se tri različite pojave.

• Dio svjetla se reflektira, dio apsorbira a ostatak provodi (transmitira). Rezultantne komponente svjetlosnog toka nazivaju se: Ø (reflektirani svjetlosni tok), Ø (apsorbirani svjetlosni tok) i Ø (transmitirani svjetlosni tok).

• Za kvantitativnu analizu definiraju se sljededi koeficijenti:

• = Ø/ Ø – koeficijent refleksije – svojstvo materijala da vrada svjetlosne zrake. Postoje različiti tipovi refleksije, kao što je zrcalna, miješana, potpuno difuzna i nejednoliko difuzna refleksija. U unutarnjoj rasvjeti koristi se gotovo isključivo difuzna refleksija.

• = Ø/ Ø – koeficijent apsorpcije – svojstvo materijala da pretvara ulazni svjetlosni tok u različite oblike energije, najčešde toplinu.

• = Ø/ Ø – koeficijent transmisije – svojstvo materijala da propušta svjetlosni tok bez ikakve promjene.

• Svjetlosni tok koji se apsorbira u materijalu pretvara se u toplinu, što podiže temperaturu materijala. Što je materijal tamniji, više svjetlosnog toka se apsorbira. Na staklu debljine 4mm reflektira se 8% ulaznog toka, 90% se propušta a 2% se apsorbira.

Reflektirani

svjetlosni tok

Apsorbirani

svjetlosni tok

Ulazni

svjetlosni tokTransmitiran

svjetlosni tok

Boja Materijal

Bijela 0,8 Gips 0,8

Svjetlo žuta 0,7 Svijetle ploče 0,7

Svijetlo siva 0,4 Cement 0,3

Svijetlo smeđa 0,3 Tamno drvo 0,2

Tamno crvena 0,1 Crvena cigla 0,2

Crna 0,1 Tamni materijal 0,1

17

EleRas_predavanje_2

Documents

Transcript of EleRas_predavanje_2