Obsah

1. Linky
2. Prečo sa učiť o osvetlení
3. Osvetľovacie zariadenia
4. Vlastnsti osvetlenia ... svetelný tok Φ [lumen, lm] , účinnosť [%, lm/W] , svietivosť I [kandela, cd] , vyžarovací uhol [˚, srad] , osvetlenie E [lux] , iluminácia [lux], odrazivosť povrchov a zosilnenie osvetlenia v miestnosti , Planckov zákon , farebný diagram CIE , CCT - teplota chromatickosti, graf svetelnej pohody, CRI - index podania farieb, oko, životnosť zariadení.
5. Výpočet osvetlenia ... postup, príklady.
6. Úloha

1. Linky

• Všeobecne o LED, blog: http://zivica.blog.sme.sk/
• Ukážka praktickej realizácie LED osvetlenia: http://forum.tzb-info.cz/119595-led-ako-hlavne-osvetlenie-v-dome , fotky: http://www.upnito.sk/imggal.php?viewGallery=32efcfd72ee07e56703c75af280c...
• Novinky o LED, Fotomag: http://www.fotonmag.cz/ , Ledmania: http://www.ledmania.cz/ ..... ďalšie odkazy http://www.ledmania.cz/dalsi-odkazy
• Automatické prepočty veličín: http://www.zsmalinovpart.edu.sk/matika/AKIRE/MAT/PREMENY.XLS
• Digitálna fotografia: http://www.digi-foto.sk/

2. Prečo sa učiť o osvetlení?

Predaj žiaroviek končí. Ceny elektriny idú hore a treba používať úsporné osvetlenie. V obchodoch je veľa rôznych a nekvalitných osvetľovacích zariadení. Nie každá LED musí mať hnusné modré svetlo. Pozrite sa ako vyzerá osvetlenie miestnosti žltými výbojkami alebo výkonovými LED s prirodzeným bielym svetlom:

3. Osvetľovacie zariadenia

ŽIarovka obsahuje wolframové vlákno stočené do špirály. Napríklad špirála dlhá 2cm má po roztiahnutí vlákno takmer meter. Prechodom elektrického prúdu sa rozžeraví na 2500 °C, kedy wolfrám emituje biele svetlo. Vlákno je v banke, ktorá je vyplnená plynom bez kyslíka, obvykle inertným plynom argónom. Banka je z obyčajného skla, ktoré pohlcuje UV žiarenie.

Halogénová žiarovka obsahuje halogén (jód alebo bróm) ktorý obmedzuje odparovanie wolfrámu zo žiarovky. Vlákno môže byť zohriate na vyššiu teplotu a má vyššiu účinnosť. Banka musí byť z kremenného skla ktoré vydží vyššiu teplotu, ale prepúšťa UV žiarenie a nesmie byť zamastené, napríklad dotykom prstov, aby sa neprehrialo vlákno.

Výbojka využíva elektrickú ionizáciu plynov alebo pár kovov. Farba svetla výbojky je daná chemickým zložením náplne, inertnými plynmi - He, Ne, Ar, Kr, Xe, alebo parami kovov - ortuť, sodík. Farbu svetla tiež možno meniť luminoforom. Luminofor je chemická zlúčenina nanesená na vnútornom povrchu sklenej trubice. Pohlcuje svetlo výboja, vrátane ultrafialového, a vyžaruje svetlo potrebných vlnových dĺžok, v závislosti od chemického zloženia luminoforu. V bežných výbojkách, takzvaných žiarivkách, sa používa jedovatá ortuť, preto žiarivky ktoré vyhadzujeme treba odniesť neporušené do obchodu kde ich predávajú. Princíp činnosti výbojky: Po pripojení na napájanie sa vytvorí medzi elektródami elektrické pole. Sily pôsobiace v tomto poli zapríčinia najprv polarizáciu a až ionizáciu molekúl plynu. Vzniknutý ionizovaný plyn sa stáva vodičom a začne v ňom tiecť elektrický prúd, pričom prietokom prúdu excitované molekuly plynu následne pri návratoch do stavu s nižšou energiou emitujú fotóny svetla.

LED (light emited diode = svetlo emitujúca dióda) je dióda ktorá obsahuje určité polovodičové zlúčeniny ktoré pri prechode prúdu svietia. Existujú 4 typy:

• 5 mm LED ..... napríklad biela 5 V, 20 mA, 1 cd, 30°, svietivosť 60 W žiarovky = 66 LED
• super flux LED ..... napríklad biela 5 V, 40 mA, 2,2 cd, 60°, svietivosť 60 W žiarovky = 30 LED
• SMD LED ..... napríklad InGaAlP 590 nm, 50 mA, 0,7 cd, 100°, svietivosť 60 W žiarovky = 94 LED
• power LED ..... napríklad biela 5000 K, 2,9 V, 1,4 A, 110 lm/W, 35 cd, 120 °, svietivosť 60 W žiarovky = 2 LED

Slnko - na vonkajší kraj atmosféry kolmo dopadá kolmo priemerne 1 360 W/m2 slnečného žiarenia, toto číslo sa nazýva slnečná konštanta. Viditeľné svetlo predstavuje 45 % tohto žiarenia. Vplyvom pohltenia, odrazu, rozptylu svetla dopadne na povrch Zeme 47 % svetla. Zemský povrch je v kolmom smere priamo osvetľovaný maximálne 290 W/m2 svetla, to je 190 000 luxov. Zem je rotujúca guľa, priemerné dopadajúce slnečné žiarenie je 343 W/m2.

Chemické osvetľovacie zariadenia:

4. Vlastnosti osvetlenia

Svetelný tok Φ

- je svetelný výkon zdroja svetla. 1 lúmen je svetelný tok vyžarovaný do priestorového uhlu 1 steradiánu bodovým zdrojom, ktorého svietivosť je vo všetkých smeroch 1 kandela. 1 lm = 1,46 mW

4.2. Účinnosť zariadení

svietidlo	účinnosť %	účinnosť lm/W
žiarovka	2 %	14 lm/W
halogén	3 %	21 lm/W
bežná žiarivka	12 % - 16 %	80 - 110 lm/W
žiarivka T5	20 %	140 lm/W
5 mm LED	10 %	70 lm/W
power LED	20 %	140 lm/W

Pri 100 % elektrickej účinnosti by bola maximálna účinnosť 685 lm/W :

Ekvivalent 100 W žiarovky:

• halogén: 67 W
• bežná žiarivka: 12 - 17 W
• žiarivka T5: 10 W
• 5 mm LED: 20 W
• power LED: 10 W

Príklad: Vypočítajte svetelný tok 100 W žiarovky.

• účinnosť žiarovky: 2 %
• svetelný výkon žiarovky: 2 % . 100 W = 2 W
• svetelný tok Φ = 2 W / 0,00146 W = 1 360 lm

Príklady svetelného toku zariadení:

• 100 W žiarovka: 1360 lm
• 60 W žiarovka: 710 lm
• 25 Watt hálogénová žiarivka: 260lm
• LED Cree X-RE R2 biela LED: 242lm@1000mA
• 5mm/Superflux LED: 5lm
• T8 15 Watt neon: 1350lm

http://www.uspornaziarovka.sk/pages/Sveteln%C3%BD-tok-%252d-p%C3%A1r-por...

4.3. Svietivosť I

- je svetelný výkon vyžarovaný do priestorového uhla. Jednotkou je kandela, symbol cd. Prvý krát bola definovaná ako svietivosť jednej sviečky. Candela je po latinsky sviečka. Súčasná definícia: Kandela je intenzita svetla (svietivosť) v danom smere zo zdroja, ktorý vyžaruje monochromatické žiarenie s frekvenciou 540x10¹² Hz a má žiarivú intenzitu (žiarivosť) v tomto smere 1/683 W na jeden steradián. 1 kandela = 1,46 mW/sr.

Príklad: Vypočítajte svietivosť 55 W halogénovej žiarovky.

• svetelný výkon: 55 W . 3 % = 1,65 W
• svetelný tok Φ = 1,65 W / 0,00146 W = 1 130 lm
• svietivosť I = 1 130 lm / 12,56 sr = 90 cd

4.4. Vyžarovací uhol

- môžeme definovať ako uhol pod ktorým má žiarovka polovičnú svietivosti. Na nasledujúcom grafe možno odčítať vyžarovací uhol 120˚ = 1 steradián. Prepočet plošného uhla na priestorový môžete urobiť v tabuľke: http://www.zsmalinovpart.edu.sk/matika/AKIRE/MAT/PREMENY.XLS .

Všesmerový zdroj má 360˚ = 12,56 sr. Ak má zdroj menší vyžarovací priestorový uhol α, potom svietivosť je 12,56 / α krát väčšia.

Príklad: Aká je svietivosť 55 halogénovej žiarovky v reflektore s vyžarovacím uhlom 60°?

• svietivosť pri 360° je I = 90 cd
• 60° = 1 sr
• svietivosť pre 1 sr je I = 90 cd . 12,56 sr / 1 = 1 130 cd

4.5. Osvetlenie

vyjadruje intenzitu osvetlenia plochy bez ohľadu na odrazivosť tejto plochy. Jednotka osvetlenia je lux, symbol lx. 1 lux je intenzita osvetlenia spôsobená svetelným tokom 1 lúmen dopadajúcim na plochu 1 m2. V prepočte je to 1 lux = 1,46 mW/m2 dopadajúceho svetla. Osvetlenie klesá s kosínusom uhla dopadu svetla na plochu.

Príklady intenzít osvetlenia:

• jasný slnečný deň: 100 000 lx
• zamračené počasie v lete: 20 000 lx
• letný deň v tieni: 10 000 lx
• operačný sál: 10 000 lx
• osvetlenie v TV-štúdiu: 1 000 lx
• osvetlenie kancelárie: 500 lx
• osvetlenie chodby: 100 lx
• osvetlenie ulice: 10 lx
• mesačný svit: 0,25 lx
• jasná hviezdna obloha: 0,001 lx
• zamračená nočná obloha bez cudzieho osvetlenia: 0,0001 lx

Odporúčané osvetlenie (STN EN 12464-1) * http://www.poradca.sk/SubPages/OtvorDokument/Clanok.aspx?idclanok=78286 :

• 20 - 120 lx: prechodné priestory, schodiská, chodby, WC, odkladacie priestory
• 120 - 160 lx: chodby so zrkadlom
• 200 - 500 lx: kúpeľne, detské izby, obývacia izba
• 500 - 1000 lx: pracovné plochy kuchynskej linky a pracovne

Norma STN EN 12464-1 neudáva hodnoty minimálneho osvetlenia v bytových priestoroch, ale skôr odborná verejnosť odporúča určité hodnoty intenzity osvetlenia, pre tzv. svetelnú pohodu a zdravie v domácnosti.

Uvedené hodnoty sú len odporúčané a môže sa líšiť s individuálnymi potrebami. Netreba zabudnúť na kvalitu osvetlenia, t.j. rovnomerne rozložená intenzita osvetlenia a vyvarovania sa prílišných kontrastných rozdielov, čo vzniká pri bodových svetlách s úzkym uhlom vyžarovania. Pre ľudské oko je prirodzenejšia nízka a rovnomerne rozložená intenzita osvetlenia.

Iluminácia

- je odrazený svetelný tok od povrchu. Jeho veľkosť závisí od odrazivosti a osvetlenia povrchu. Pri použití rovnakého svetelného zdroja sa svetlé steny môžu zdať lepšie osvetlené ako tmavé.

Farba plôch a smerovosť osvetlenia rozhodujú o iluminácii povrchov. Tu je ukážka:

4.7. Odrazivosť povrchov a zosilnenie osvetlenia v miestnosti

Odrazivosť farieb, zdroj http://www.malna.wz.cz/vyber_barev.htm :

• biela: 80 %
• slonová kosť: 75 %
• svetlo žltá: 60 %
• svetlo zelená: 56 %
• svetlo šedá: 53 %
• svetlo modrá: 45 -59 %
• svetlo ružová: 42 - 69
• tmavo zelená: 10 - 20 %
• červená: 16 %
• hnedá: 15 -24
• tmavomodrá: 9 %
• čierna: 1 - 4 %

1. Odrazivosť povrchov zvyšuje osvetlenie miestnosti.

Príklad 1: iluminácia miestnosti s bielymi stenami a bielou podlahou s odrazivosťou 75 % bude oproti všesmerovému osvetleniu 3 x väčšia:

0,75¹ + 0,75² + 0,75³ + 0,75⁴ + ... = 3 = 300 %

2. Ak budú v miestnosti farebné časti, pre všesmerové osvetlenie sa vypočíta priemerná odrazivosť.

Príklad 2: Všesmerové osvetlenie osvetľuje miestnosť 3 x 5 x 2,7 m. Miestnosť má svetlohnedú podlahu s odrazivosťou 25 % a biele steny s odrazivosťou 75 %.

• podlaha má plochu: 3 . 5 = 15 m2
• steny a strop majú plochu: 3 . 5 + (3 + 5 + 3 + 5) . 2,7 = 63,6 m2
• celkový povrch: 15 + 63,5 = 78,5 m2
• podiel podlahy: 15 / 78,5 = 0,19 = 19 %
• podiel podlahy: 100 % - 19 % = 81 %
• priemerná odrazivosť miestnosti: 0,19 . 25 % + 0,81 . 75 % = 65,5 %

Priemerná iluminácia bude: 0,66¹ + 0,66² + 0,66³ + 0,66⁴ + .. = 1,9 = 190 %

3. V prípade smerového osvetlenia na farebnú podlahu sa iluminácia zníži.

Príklad 3: V uvedenej miestnosti smerovo osvetlíme len podlahu. Iluminácia sa zníži oproti osvetleniu:

0,25 + 0,25 . 0,75 + 0,25 . 0,75 (0,665¹ + 0,665² + ...) = 0,25 + 0,1875 + 0,1875 . 1,9 = 0,80 = 80 %

4.8. Planckov zákon

- opisuje množstvo energie vyžarovanej čiernym telesom na žiarenie určitej vlnovej dĺžky, tj spektrálne žiarenie čierneho telesa.

4.9. Farebný diagram CIE

- obsahuje farby definované pomocou dvoch súradníc, x a y. Po obvode krivky tvaru luku sú sýte farby ako na dúhe, rozložené podľa vlnovej dĺžky. Bod E sú súradnice chromatického bieleho svetla, viď CCT. Trojuholník vyznačuje priestor ktorý umožňuje definovať RGB farby.

4.10. CCT - Teplota chromatickosti

- je teplota povrchu pomyselného vlákna žiarovky ktorý vydáva určitú farbu svetla. Čím vyššia teplota, tým studenšie svetlo, prevládajú kratšie vlnové dĺžky. Denné svetlo má teplotu chromatičnosti 5000 K. Zapadajúce slnko a žiarovky majú oranžové svetlo s teplotou 2700 K. Studené namodralé svetlo má 6500 - 8000 K.

Označovanie farieb bieleho svetla, ktoré používa firma Cree: http://www.klasici.sk/sites/default/files/ansiwhite.jpg

Príklady teploty svetelných zdrojov:

• 1 500 K: sviečka
• 2 680 K: 60W žiarovka
• 3 000 K: Halogénová žiarovka
• 5 500 K: Ranné/popoludňajšie slnko
• 5 500 K: fotografické blesky; toto je zvyčajná farebná teplota používaná v profesionálnej fotografii
• 6 000 K: jasné poludňajšie svetlo
• 7 000 K: ľahko zamračená obloha
• 8 000 K: oblačno, hmlisto (mraky zafarbujú svetlo do modra)
• 10 000 K: silno zamračená obloha alebo len modré nebo bez slnka

Človek svoje vnímanie farieb prispôsobuje svetlu – biely papier vníma ako biely, aj keď je vplyvom osvetlenia zafarbený.

4.11. Graf svetelnej pohody

- vyjadruje potrebnú intenzitu osvetlenia pri danej teplote svetelného zdroja, tak aby sa svetlo javilo ako prirodzené, nie ako tmavé alebo príliš silné.

4.12. CRI - Index podania farieb

- angl. Color Rendering Index, popisuje, ako dobre sa určitá množina štandardných farieb reprodukuje, keď ich osvetlí konkrétny zdroj svetla. Je to bezrozmerná jednotka v rozsahu od 0 do 100 Ra. Keď sa CRI približuje k 100, znamená to, že farby sa budú javiť s vysokou vernosťou a budú sa podávať presne, kým z nízkej hodnoty CRI vyplýva, že farby môžu nadobudnúť rôzne odtiene, alebo byť chromaticky nerozlíšiteľné pre pozorovateľa. Na osvetlenie pracovného stola stačí CRI = 70, na kvalitné osvetleni emiestnosti 80, pre galérie obrazov 98. Slnečné denné svetlo ma CRI = 100.

Príklad vnímania farieb pri rôznom CRI svetla:

Ukážka osvetlenia ulice ortuťovými výbojkami a LED žiarovkami:

Príklad vyžarovania vlnových dĺžok LED diódami Cree XM-L:

Spektrálne vyžarovanie rôznych polovodičových materiálov pre LED:

4.13. Oko

Sietnica oka obsahuje 3 typy farebných receptorov, červený R, zelený G a modrý B:

Citlivosť ľudského oka na vlnové dĺžky svetla:

4.14. Životnosť zariadení

Orientačné vyťaženie žiarovky v domácnosti je 1 000 hodín za rok.

• žiarovka: 1 000 hod - po 1000 hod sa vlákno pretaví a žiarovka nesvieti
• žiarivka: 8 000 - 10 000 hod
• LED: 30 000 hod - po 30 000 hodinách by mala LED svietiť iba o 30 % menej.

Zásadné vplyvy určujúce životnosť LED sú tieto:

• typ LED (5 mm LED, super flux LED, SMD LED, power LED)
• výrobca (originál / napodobenina)
• dodržanie elektrických parametrov (neprekročenie max. napätia a prúdu)
• tepelný management (udržanie prevádzkovej teploty na minimálnej možnej úrovni)

5. Výpočet osvetlenia

5.1. Postup výpočtu

Zistíme si potrebné hodnoty:

1. Zistím vlastnosti miestnosti: rozmery (d x š x v), farby na stenách, podlahe, strope a nábytku
2. Určíme spôsob osvetlenia: všesmerové, lokálne alebo bodové
3. Zvolíme osvetľovacie zariadenie. Údaje o zariadení by mali umožniť vypočítať svetelný tok zariadenia, teda počet lúmenov. Buď počet lúmenov udáva výrobca, alebo si ho vypočítame podľa elektrického výkonu a účinnosti zariadenia. Prepočet je 1 lm = 14,6 mW svetla.

Vypočítame:

1. Vypočítame osvetlenú plochu miestnosti S. Pre všesmerové osvetlenie sú to steny, podlaha a strop.
2. Zvolíme osvetlenie E alebo ilumináciu povrchu. Osvetlenie [lux] volíme podľa účelu miestnosti (odporúčané osvetlenie miestností) a farby osvetlenia (graf svetelnej pohody). Biele plochy miestnosti zosilňujú celkovú ilumináciu a to môžeme využiť pri šetrení, stačia slabšie alebo menej osvetľovacích zariadení. Napríklad pri bielych stenách a strope, a svetlo hnedej podlahe bude pri všesmerovom osvetlení iluminácia bieleho povrchu 2x väčšia ako jeho priame osvetlenie žiarovkami.
3. Potrebný svetelný tok na osvetlenie miestnosti vypočítame Φ = E . S ... kde E - je osvetlenie [lux] a S - je osvetľovaná plocha [m²].
4. potrebný počet zariadení: n = E_miestnosti / E_žiarovky ... kde E_miestnosti - je potrebný svetelný tok pre miestnosť [lm], a E_žiarovky - je svetelný tok osvetľovacieho zariadenia [lm]

5.2. Príklady výpočtov

Príklad 1: Osvetlenie haly LED čipmi.

Zistené hodnoty:

1. miestnosť: hala 8 x 4 x 2,7 m, biele steny, svetlohnedá podlaha
2. spôsob osvetlenia: všesmerové
3. zvolené osvetľovacie zariadenie: LED dióda Cree XML U2, 560 lm pri 1,4 A a 2,0 V

Výpočet:

1. osvetlená plocha miestnosti (steny, podlaha, strop): S = 8 . 4 + (8 + 4 + 8 + 4) . 2,7 + 8 . 4 = 130 m2
2. zvolená iluminácia bieleho povrchu: 300 lux, vzhľadom na farby miestnosti stačí polovičné osvetlenie: 150 lux
3. potrebný svetelný tok na osvetlenie miestnosti: 150 lux x 130 m2 = 20 000 lm
4. potrebný počet zariadení: 20 000 lm / 560 lm/ks = 36 ks

Príklad 2: Osvetlenie kuchyne žiarovkami.

Zistené hodnoty:

1. miestnosť: kuchyňa, rozmery 2,2 x 3,4 x 2,7 m, biele steny, svetlohneda podlaha
2. spôsob osvetlenia: všesmerové
3. zvolené osvetľovacie zariadenie: všesmerová žiarovka 60 W, 2700 K

Výpočet:

1. osvetlená plocha miestnosti (steny, podlaha, strop): S = 2,2 . 3.4 + (2,2 + 3,4 + 2,2 + 3,4) . 2,7 + 2,2 . 3,4 = 45 m2
2. zvolená iluminácia bieleho povrchu: 100 lux, vzhľadom na farby miestnosti stačí polovičné osvetlenie: 50 lux
3. potrebný svetelný tok na osvetlenie miestnosti: 50 lux x 45 m2 = 2 250 lm
4. svetelný tok žiarovky: 60 W . 2 % / 0,00146 W/lm = 820 lm
5. potrebný počet zariadení: 2 250 lm / 820 lm/ks = 3 ks

Príklad 3: Osvetlenie pracovnej dosky na kuchynej linke halogénovou žiarovkou.

Zistené hodnoty:

1. plocha: pracovná doska kuchynskej linky, rozmery 90 x 60 cm, biely povrch s odrazivosťou 75 %
2. spôsob osvetlenia: smerové z výšky 60 cm
3. zvolené osvetľovacie zariadenie: halogénová žiarovka 20 W, 40˚, 3000 K

Výpočet:

1. osvetlená plocha: S = 09 x 0,6 = 0,54 m2
2. zvolené osvetlenie: 800 lux
3. potrebný svetelný tok na osvetlenie: 800 lux x 0,54 m2 = 430 lm
4. svetelný tok žiarovky: 20 W . 3 % / 0,00146 W/lm = 410 lm
5. potrebný počet zariadení: 430 lm / 410 lm/ks = 1 ks

6. Úloha

Navrhnite osvetlenie pre miestnosť alebo jej časť. Vypracovanie musí obsahovať všetky body ako sú uvedené v príkladoch. Rozmery miestnosti uveďte presne v cm, aby mal každý žiak iné rozmery.