+7 (812) 448-30-88
+7 (812) 910-22-50
Заказать звонок →
Мы перезвоним вам

Содержание:
  1. Поверхностная плотность светового потока. Освещенность
  2. Яркость
  3. Современные источники света

Одним из основных понятий в системе световых величин яв­ляется световой поток, т.к. он определяет эффективность действия лучистого потока, воспринимаемого глазом как световое излучение.

Часть мощности лучистой энергии (лучистого потока), воспринимаемую человеческим глазом как световое ощущение, называют световым потоком (Ф). В практике за единицу измерения светового потока принят люмен (лм).

Источники света в виде светящейся точки излучают световой поток по всем направлениям равномерно. Источники света в технике излучают световой поток в пространстве неравномерно, вследствие чего он имеет неодинаковую плотность.

5ea19-clip-21kb

Рис.1. Телесный угол

Пространственная плотность светового потока называется силой света.

При неравномерном излучении источником света светового потока сила света I численно определяется как отношение бесконечно малого светового потока dФ, равномерно распределенного в пределах бесконечно малого телесного угла dw с вершиной у источника света, к величине этого телесного угла:

f1f4b-clip-2kb

При равномерном распределении светового потока в пределах телесного угла, имеющего конечные размеры, сила света в направлении оси угла

8087b-clip-2kb

Часть пространства, ограниченная конической поверхностью, называется телесным или пространственным углом. Величина телесного угла определяется как отношение площади участка сферы S, на которую телесный угол опирается, к квадрату радиуса сферы R2 (см. рис.1):

b02ef-clip-2kb

Единицей телесного (пространственного) угла является стерадиан (ср).

Величина телесного угла в 1 ср представляет собой телесный угол, который вырезает на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса данной сферы

436d6-clip-3kb

Наибольший телесный угол, охватывающий все пространство вокруг светящейся точки (сферы),

33e7b-clip-3kb

где 4πR2 – полная поверхность сферы (шара).

Часто в практике пользуются понятием средней сферической силы света, представляющей собой отношение полного светового потока, излучаемого источником света, к полному углу сферы:

a2364-clip-2kb

По решению 13-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1967 г. за единицу силы света принята кандела. Одна кандела (кд) представляет силу света точечного источника, излучающего равномерно световой поток, равный 1 лм внутри телесного угла в 1 ср:

eb8fe-clip-2kb

Поверхностная плотность светового потока. Освещенность

Световой поток, падая на любую поверхность, освещает ее. Для количественной оценки плотности светового потока на освещаемой поверхности пользуются понятием освещенности, т.е. отношением светового потока к площади освещаемой им поверхности:

f5ee5-clip-2kb

где Ф – световой поток, падающий равномерно на освещаемую поверхность, лм;

S – площадь освещаемой поверхности, м2.

Единица освещенности называется люксом (лк). Освещенность, равная 1 лк, будет иметь место, если на освещенную поверхность в 1 м2 падает равномерно распределенный световой поток в 1 лм:

44088-clip-17kb

Рис.2. К выводу зависимости между освещенностью и силой света

Освещенность в какой-либо точке освещаемой поверхности можно определить по силе света (Iср)

b8961-clip-3kb

то есть освещенность данной точки поверхности, расположенной под углом α к падающему световому потоку, прямо пропорциональна силе света, направленного к ней, и косинусу угла между падающим лучом и нормалью к освещаемой поверхности и обратно пропорциональна квадрату расстояния освещенной точки от источника света.

Если освещаемая поверхность перпендикулярна падающему световому потоку, то угол α = 0° и cosα = 1, тогда

d3c45-clip-2kb

Яркость

Световой поток от источника света, падая на поверхность какого-либо предмета, частично ею отражается.

При наблюдении в глаз наблюдателя попадает лишь часть отраженного светового потока от поверхности предмета, вызывающая зрительное восприятие. Чем больше отраженного светового потока от поверхности предмета попадает в глаз наблюдателя, тем сильнее зрительное ощущение этого предмета. Поверхности предметов с различными окрасками и отражающими свойствами при равной освещенности воспринимаются по-разному органом зрения наблюдателя. Так, например, поверхность куска мела, имеющего лучшие отражающие свойства, чем поверхность куска угля, отражает больше светового потока в направлении глаза наблюдателя и лучше видна.

355a1-clip-6kb

Таким образом, освещенный предмет тем лучше виден, чем большую силу света (плотность светового потока) отражает его поверхность в направлении глаза наблюдателя, а также чем больше видна его поверхность. Условия видения количественно характеризуются величиной яркости.

Яркостью освещаемой поверхности в каком-либо направлении называется отношение силы света, излучаемой поверхностью в данном направлении, к площади проекции освещаемой поверхности на плоскость перпендикулярно тому же направлению (рис.4). 

e3e35-clip-7kb

Рис.4. Яркость поверхности

Если лучи от плоской освещаемой поверхности, направленные к глазу человека, перпендикулярны этой поверхности, то яркость освещаемой поверхности

4edf0-clip-2kb

где L – яркость;

I – сила света, перпендикулярная освещаемой поверхности, кд;

S – площадь поверхности, м2.

Если глаз рассматривает освещаемую поверхность под уг­лом α, ограниченным нормалью к этой поверхности и линией зрения, то он увидит часть этой поверхности, то есть  площадь ее проекции на плоскость, перпендикулярную линии зрения: S^ = Scosα.

Для равномерно освещаемой поверхности яркость в любом направлении

13b5e-clip-2kb

При неравномерном освещении поверхности

34bb0-clip-3kb

Следует знать, что понятие яркости применимо не только к освещаемым поверхностям, но и к источникам света.

Единицей яркости служит кандела на квадратный метр (кд/м2).

Источник света, имеющий форму шара диаметром D и излучающий равномерно во все стороны силу света I, обладает яркостью

9e371-clip-2kb

Средняя яркость светящегося шара 

dd735-clip-2kb

Средняя яркость цилиндра в направлении нормали к оси

88bcc-clip-2kb

где D и l – диаметр и длина цилиндра, м.

Современные источники света

Лампы накаливания

Источники света можно разделить на две группы:

1)  основанные на принципе теплового излучения:

–     лампы накаливания общего назначения;

–     галогенные (КГ и КИ);

2)  газоразрядные:

–     трубчатые, люминесцентные лампы низкого давления;

–     ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью (ДРЛ);

–     металлогалогенные (ДРИ);

–     ксеноновые (ДКсТ);

–     натриевые низкого и высокого давления.

Известно, что твердое тело при нагревании выделяет лучистую энергию, количество которой увеличивается с повышением температуры.

При низкой температуре из­лучаются невидимые инфракрасные лучи, длина волны которых больше, чем у световых лучей.

С повышением темпера­туры происходит не только увеличение излучаемой телом лучистой энергии, но и изменение состава спектра. При этом быстро увеличивается видимое излучение, световые лучи которого имеют более короткие волны:

вишневый свет- оранжевый свет – белый свет.

На принципе теплового излучения основана работа ламп накаливания.

Вольфрам: Тплав = 3400оС; Тнакал = 2500 оС;  h= 2-4%.

Световая отдача характеризуется отношением излучаемого ею светового потока Ф к электрической мощности Р, потребляемой лампой: Y = Ф/Р лм/Вт.

Средняя продолжительность горения tгор= 1000 ч, у мощных ламп tгор= 10¸12 тыс.ч.

Люминесцентные лампы

Световая отдача люминесцентных ламп в несколько раз выше, чем у ламп накаливания, и находится в пределах 44-70 лм/Вт, а у ламп накаливания – в пределах 6,7-19,1 лм/Вт

Пульсация светового потока. Световой поток люминесцентной лампы вследствие безынерционности разрядки, как и ток, изме­няется от максимального значения до нуля и обратно 100 раз/с при частоте переменного тока 50 Гц.

Благодаря тому, что при­меняемые люминофоры обладают способностью после прекраще­ния их облучения ультрафиолетовыми лучами (ток проходит че­рез 0) еще некоторое время излучать видимый свет (инерция свечения), световой поток лампы не падает до нуля, а принимает некоторое минимальное значение.

Следствием пульсации светового потока является пульсация освещенности, оцениваемая коэффициентом пульсации

eaf02-clip-3kb

где Еmax, Еmin, Еср – максимальное, минимальное и среднее зна­чения освещенности за

период колебания, лк.

Коэффициент пульсации у люминесцентных ламп ЛБ состав­ляет 35%, а у ламп ЛДЦ – 55%.

У ламп накаливания благодаря большой тепловой инерции нити накала коэффициент пульсации составляет всего лишь 5-10%.

Для снижения коэффициента пульсации применяют несколько способов:

–           включение ламп в разные фазы сети (АВС), что снижает коэффициент пульсации до 6%;

–     специальные двухламповые схемы с искусственным сдвигом фаз.

Дуговые ртутно-кварцевые лампы высокого давления с исправленной цветностью ДРЛ и ДРИ

Для освещения больших и высоких (более 5м) производст­венных помещений, в которых не требуется правильной цвето­передачи, а также улиц, площадей применяются дуговые ртутные люминесцентные лампы высокого давления (ДРЛ). При использовании в лам­пах ДРЛ специального люмино­фора, который под действием уль­трафиолетовых лучей разряда из­лучает оранжево-красный свет, и добавляет к ртутному разряду не­достающее излучение в красной области спектра, можно испра­вить цветность излучения лампы.

Люмино­фор – фторогерманат магния, активизированный марганцем. Для обеспечения охлаждения кварцевой горелки пространство между ней и стеклянной колбой заполняется инертным газом, обычно азотом.

Световая отдача ламп ДРЛ выше, чем  у ламп накаливания, но ниже, чем у люминесцентных ламп низкого давления, и колеблется от 40 до 55 лм/Вт.

Длительность горения двухэлектродных ламп ДРЛ 5000 ч, а четырехэлектродных – 10000 ч.

Новые лампы называются металлогалогенными ДРИ (И – с излучающими добавками).

 

Специальные разрядные лампы

Ксеноновые лампы (разрядка в парах ксенона) имеют спектр излучения, близкий к солнечному свету, поэтому они обес­печивают хорошую цветопередачу освещаемых объектов. Так как промышленность выпускает ксеноновые лампы на большие мощ­ности (5, 10, 20 и 50 кВт), они могут быть использованы только для освещения высоких помещений (свыше 20 м), городских площадей, открытых пространств, спортивных сооружений, же­лезнодорожных станций и т. п.

Световая отдача ксеноновых ламп ниже, чем у ртутно-кварцевых ламп высокого давления, и колеблется в пределах 19,6-30 лм/Вт.

Натриевые лампы (разрядка в парах натрия) излучают преимущественно желтый цвет, поэтому их используют для декоративно-художественного освещения, а также автострад, перекрестков улиц, площадей. Натриевые лампы очень экономичны, их све­товой поток превышает 100 лм/Вт. Промышленность выпускает натриевые лампы ДНаТ мощностью от 45 до 140 Вт со свето­вым потоком от 2500 до 10000 лм.

Эритемные лампы конструктивно не отличаются от лю­минесцентных ламп низкого давления. Их колбы выполнены из увиолевого стекла и покрыты люминофором. Они предназначены для освещения и восполнения ультрафиолетовой недостаточно­сти. Применяются в лечебных и детских учреждениях, производ­ственных помещениях без естественного света и в северных райо­нах страны в любых осветительных установках. Промышлен­ность выпускает эритемные лампы ЛЭ-15, ЛЭР-30 и ЛЭР-40 мощностью 15, 30, 40 Вт.

Бактерицидные лампы также конструктивно не отли­чаются от люминесцентных ламп низкого давления и использу­ются для обеззараживания воздуха, воды и пищевых продуктов. Они представляют собой трубку из увиолевого стекла, заполненную смесью паров ртути и аргона (на колбе нет люминофора).

Увиолевое стекло пропускает некоторую часть ультрафиолетового излучения, действующего на вредоносные бактерии. Промышленность выпускает бактерицидные лампы ДБ-15, ДБ-ЗС ДБ-60 мощностью 15, 30 и 60 Вт.

 

Световые приборы

Источники света (лампы) с осветительной арматурой, назы­ваемые световыми приборами, можно подразделить на приборы ближнего и дальнего действия. Световые приборы, предназначенные для освещения близко расположенных объек­тов, называются светильниками, а удаленных объектов – прожекторами.

Роль:

1.   Рационально распределить световой поток.

2.   Защитить глаза наблюдателя от чрезмерной яркости источника света.

3.   Предохраняет источник света от механических поврежде­ний и загрязнения.

4.   Является конструкцией для крепления источника света и подвода электрического тока, иногда создает художественное оформление освещаемого поме­щения.

Светотехнические показатели светильников характеризуются:

1)  распределением силы света в пространстве;

2)  КПД;

3)  величиной защитного угла.

Распределение силы света от осветительных приборов в раз­личные направления пространства характеризуются кривыми силы света. Это распределение может быть также задано в ви­де таблиц зависимости силы света Iα от угла α (фотометрическое тело светильника).

Большинство светильников с лампами накаливания распреде­ляют силу света симметрично. По­этому их фотометрическое тело представляет собой тело вращения относительно некоторой оси.

Экономичность осветительной установки зависит от КПД светильников, принятых для освещения.

Коэффициентом полезного действия светильника (h) называют отношение светового потока светильника Фсв к световому пото­ку лампы Фл:

c4412-clip-2kb

Этот коэффициент колеблется в пределах 0,8-0,85.

Величина защитного угла

2d80c-clip-2kb

где h – расстояние от тела накала лампы до уровня выходного отверстия светильника;

R – радиус выходного отверстия;

r – радиус кольца тела накала лампы.

Для светильников с люминесцентными лампами защитный угол образуется линиями экранирующей решетки. Светильники с защитным углом менее 30° недостаточно защищают глаза от блëскости.

 

Основные методы расчета освещения

При расчете освещения осветительной установки определяют число и мощность источников света, необходимых для создания нормированной освещенности на освещаемой поверхности фактическую освещенность в любой точке поверхности от уставов ленных источников света.

 

Расчет освещения методом коэффициента использования светового потока

По этому методу расчетную освещенность на горизонтальной поверхности определяют с учетом светового потока, падающего от светильников непосредственно на поверхность и отраженного стен, потолка и самой поверхности.

Метод коэффициента использования применим для расчета освещения помещений светильниками с лампами накаливания и с люминесцентными.

Отношение светового потока, падающего на горизонтальную поверхность, к суммарному потоку всех ламп, размещенных в данном освещаемом помещении, называют коэффициентом использования светового потока осветительной установки:

0c9dc-clip-3kb

где Фп – световой поток, падающий от светильников непосредственно на освеща-

емую поверхность, лм;

Фотр – отраженный световой поток, падающий на ту же освещаемую поверхность, лм;

Фр – результирующий световой поток, лм;

Фл – световой поток каждой! лампы, лм;

N – число ламп в освещаемом помещении.

Значение коэффициента использования (η) всегда меньше единицы, т.к. NФл, всегда больше Фр. Объясняется это тем, что не весь световой поток, излучаемый лампами, падает на освещаемую поверхность, некоторая его часть поглощается осветительной арматурой, стенами и потолком.

На коэффициент использования влияют следующие факторы.

1.   Тип и КПД светильника. Чем больше выбранный светильник направляет световой поток непосредственно на освещаемую поверхность Фп, тем больше коэффициент использования. Чем выше КПД светильника, тем меньше потери в нем, следовательно, больше коэффициент использования.

2.    Геометрические размеры помещения. Чем больше освещаемая поверхность по сравнению с отражающими, тем выше коэффициент использования, т.к. при этом возрастает Fn.

3.   Высота подвеса светильника над освещаемой поверхностью. Чем выше подвешены светильники над освещаемой поверхностью, тем больше светового потока поглощается стенами и потолком, следовательно, коэффициент использования уменьшается.

4.   Окраска стен и потолка. Чем светлее окраска стен и потолка, тем выше коэффициент отражения и Фотр возрастает, а следо­вательно, возрастает и коэффициент использования.

Влияние геометрических размеров помещения на величину коэффициента использования характеризуется показателем (индексом) помещения i, определяемым для прямоугольных помещений по формуле

dea97-clip-3kb

где А и Б – длина и ширина помещения, м2;

S – площадь помеще­ния, м2;

h – высота подвеса светильника над рабочей поверхностью, м.

Средняя освещенность горизонтальной поверхности

7e690-clip-3kbотсюда

f5b26-clip-3kb

Действующими нормами искусственного освещения нормируются не средние, а минимальные освещенности (средняя освещенность Еср всегда больше минимальной Еmin). Учитывая, что световой поток, падающий на освещаемую поверхность, распределяется неравномерно, в формулу (22) вводят поправочный коэффициент

6dd83-clip-3kb

Если расстояние между светильниками близко к наивыгоднейшему, то можно с достаточной для практики точностью принимать z для ламп накаливания 1,15 и 1,1 для люминесцентных ламп.

В формулу (22) необходимо вводить коэффициент запаса Кзап, учитывающий снижение освещенности в период эксплуатации осветительной установки.

С учетом коэффициентов Кзап и z получим основное расчетное уравнение метода коэффициента использования:

e9678-clip-3kb

По значению Фл в зависимости от напряжения сети выбирают стандартную лампу с ближайшим значением светового потока (для ламп накаливания).

При освещении помещения люминесцентными лампами по известному потоку лампы Фл по формуле (24) определяют количество ламп.

Значения коэффициентов использования светового потока (η) определяют по таблицам, приведенным в электротехнических справочниках для отдельных типов светильников.

Наибольшая часть выпускаемых светильников с люминесцентными лампами объединена в 26 групп.

Таблица 1

8c4c7-clip-63kb

Пример 1:  Административное помещение размером 12х14 м освещается потолочными светильниками прямого света ЛПО02. В каждом светильнике установлены по две люминесцентные лампы ЛБ40. Высота помещения 2,7 м, расчетная высота А=1,9 м. Нормированная освещенность Енорм= 300 лк. Коэффициенты отражения потолка, стен и расчетной поверхности ρп = 70%, ρс = 50%, ρрасч = 10%. Определить требуемое количество светильников.

Решение. Показатель помещения

f681d-clip-2kb

По таблице определяем коэффициент использования осветительной установки h. При i = 3,4 и принятых коэффициентах отражения h = 0,51. У лампы типа ЛБ40 расчетный световой поток Фл = 3000 лм.

Коэффициент запаса Кзап= 1,5. Коэффициент неравномерности z = 11.

Потребное значение светильников


a4ca4-clip-4kb

L/h = 1,4 (L – расстояние между светильниками, H – высота светильника от рабочей поверхности), отсюда L = 1,4×h= 1,4×1,9 = 2,7 м. Принимаем расстояние между рядами 3 м. Размещаем светильники в четыре ряда, вдоль длинной стороны помещения, по семь светильников в каждом ряду. Общее количество составит 28. Общая установленная мощность Руст= 28 × (2 × 40) = 2240 Вт.

Приближенный метод расчета по удельной мощности

Удельной мощностью Руд называется отношение суммарной мощности всех ламп, установленных в данном помещении, к площади освещаемой поверхности (пола), Вт/м2:

b11f0-clip-2kb

В проектной практике широко применяется метод удельной мощности, который позволяет без выполнения светотехнических расчетов определять мощность всех ламп общего равномерного освещения, требуемого в данном помещении. Кроме того, метод удельной мощности применяют для приблизительной оценки правильности произведенного светотехнического расчета осветительной установки.

В основу расчета по удельной мощности положен метод коэффициента использования.

Известно, что световая отдача лампы (лм/Вт)

d716d-clip-942b

Отсюда

c2925-clip-2kb

Решив это уравнение относительно NPn,, получим:

f136a-clip-3kb

Из формулы (26) видно, что удельная мощность являете функцией переменных величин, входящих в формулу расчета по методу коэффициента использования.

На основании светотехнических расчетов, выполненных этим методом, составлены таблицы удельной мощности при равномерном размещении стандартных светильников общего освещения. В качестве примера приводи значение удельных мощностей для седьмой группы светильников с люминесцентными лампами (ЛСО02, ШОД) при освещенности: 100 лк (см. табл. 2).

Таблица 2

53dac-clip-32kb

Между значениями освещенности и удельной мощности имеет место прямая пропорциональность, поэтому для определения удельной мощности по принятой освещенности следует значение, найденное по табл. 2, увеличить или уменьшить во столько раз, во сколь­ко нормируемая освещенность для данного помещения больше или меньше 100 лк.

Порядок расчета по методу удельной мощности следующий.

Для освещаемого помещения выбирают тип светильника и расчетную высоту его подвеса. При светильниках с лампами накалива­ния намечают наивыгоднейшее число светильников Nce. В зависи­мости от величины нормируемой освещенности Еиорм, площади, освещаемого помещения S, расчетной высоты подвеса hрасч и коэффициентов отражений по соответствующей таблице находят удельную мощность Руд, определяют суммарную установленную мощность ламп (Руд= РудS) и мощность одной лампы (Рл= Руст/N).

При светильниках с люминесцентными лампами порядок расчета несколько изменяется, т.к. заранее известна мощность ламп в каждом светильнике. Поэтому после определения  мощности осветительной установки (Руд= РудS) определяют число  светильников  Nсв= Руст/(NPл), где N – число ламп в светильнике.

Пример 2: В помещении читального зала размером 10х12 м требуется соз­дать освещенность Енорм = 300 лк. Предусмотрены светильники типа ЛСО02 с двумя люминесцентными лампами ЛБ по 40 Вт. Светильники устанавливаются на высоте hрасч= 1,9 м над расчетной поверхностью. Коэффициенты отражения ρп= 70%; ρс= 50%; ρрасч= 10%. Определить суммарную мощность освещения чи­тального зала и необходимое количество светильников.

Решение. По таблице 2 определяем значение удельной мощности:

при 100 лк  Руд.табл = 5,7 Вт/м2;

при 300 лк  Руд = Руд.табл · 3 = 17,1 Вт/м2.

Суммарная мощность Руст = РудS = 17,1·120 = 2052 Вт. Количество светильников Nсвл= Рустсв = 2052/80 = 25,3.

Принимаем к установке 26 светильников.