Projektování automatizovaných systémů

Projektování automatizovaných systémů Osvald Modrlák, Petr Školník, Jaroslav Semerád, Albín Dobeš, Frank Worlitz

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Tento materiál vznikl v rámci projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR

Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření

Osvětlení a jeho projektování


Úvod Prostřednictvím zraku člověk získává (80 – 90) % veškerých informací. Zraková pohoda je stav: -

při kterém zrak plní své funkce s maximální účinností člověk má pocit, že dobře vidí člověk se cítí psychicky dobře prostředí je vzhledově příjemné

Osvětlování

- je činnost zaměřená k dosažení zrakové pohody „Abych viděl a aby ostatním, ani mně světlo nevadilo“.

Světelné záření má vliv: * průmyslové podniky

- zvýšení produktivity práce, bezpečnost a kvalita * pouliční osvětlení - bezpečnost * domácnosti - odpočinek, příjemné prostředí * kulturní zařízení, osvětlení památek a budov, …


Podstata světla Světlo má charakter elektromagnetického vlnění různých vlnových délek. V elektromagnetickém spektru patří světlo do oblasti záření, které zahrnuje: * ultrafialové záření (UV) * viditelné záření * infračervené záření (IR) Mez viditelného záření je v rozsahu (380 – 780) nm, může se ale měnit podle schopnosti pozorovatele. Viditelné záření ovlivňuje: * život člověka a zvířat * rostliny (fotosyntéza) * stárnutí tkanin, umělecká díla, …


Oblasti vlnového záření Druh záření UV záření

Viditelné záření

IR záření UV-A UV-B, UV-C

Označení

Vlnová délka ((nm nm))

Poznámka

UVUV-C

100 – 280

např. desinfekce

UVUV-B

280 – 315

hnědnutí kůže

UVUV-A

315 – 380

bankovky, spálení

fialová

380 – 430

modrá

430 – 490

zelená

490 – 570

žlutá

570 – 600

oranžová

600 – 630

červená

630 – 780

IR

780 – 10 000

tepelné záření

- atmosféra propouští - atmosféra zachycuje (negativní vliv ozónové díry)


Oblasti vlnového záření Viditelné záření v rozsahu elektromagnetického záření

Rozložení bílého světla hranolem


Teorie vidění Při posuzování kvality osvětlení je nezbytnou podmínkou základní znalost anatomie a fyziologie zrakového systému. Pomocí zraku přijímáme většinu informací o vnějším prostředí. Nositelem této informace je světlo. Zachycená světelná informace je nejprve zachycena na sítnici oka prostřednictvím tyčinek (na kraji sítnice) a čípků (u středu sítnice). Zachycené informace jsou přenášeny do centra nervového systému. Akomodace oka

je schopnost oka „zaostřit“ předměty v různé vzdálenosti.

Adaptace oka

je schopnost oka přizpůsobit se různým hladinám jasu (0,25 – 100 000 lx). Denní vidění (fotopické) - čípky Noční vidění (skopotické) - tyčinky Denní i noční (mezopické)

Vjemové pole

část plochy sítnice, ze které lze podráždit jedno vlákno zrakového nervu.


Teorie vidění


Rozsah intenzity světla od přímého slunečního světla po noční tmu je značný, zrak musí mít schopnost adaptace. Adaptace na světlo trvá řádově sekundy, adaptace na tmu může být až několik minut (adaptace zorničky). Rozsah vidění: spodní hranice vrchní hranice

Lp = 10-3 (cd/m2) Lp = 109 (cd/m2)

Oko registruje rozsah vlnových délek (380 – 780 nm), čemuž odpovídá daný rozsah barev (od fialové do červené). Lp > 0,03 cd/m2 Lp > 3 cd/m2

noční vidění denní vidění


Spektrální citlivost zrakový orgán není stejně citlivý na záření různých vlnových délek.

Vλ

- poměrná světelná účinnost viditelné záření při denním vidění

V’λ

- poměrná světelná účinnost viditelné záření při nočním vidění


Oslnění

vzniká jestliže jsou příliš velké kontrasty jasů a oko není schopné se adaptovat ⇒ je ztížen přenos světelných informací. Přímé oslnění

- je způsobeno nadměrným jasem svítících částí Nepřímé oslnění - je způsobeno odrazy od svítících ploch na lesklých částech Přechodové oslnění - náhlé změny intenzity do adaptace oka

Rozdělení oslnění podle psychofyziologických následků: * oslnění psychologické

- necítím se v daném prostředí dobře, prostředí působí depresivně, slzí mi oči a nevím proč

* oslnění fyziologické

- světlo mi svítí do očí


Zraková pohoda * zrak velmi úzce souvisí s centrální nervovou soustavou, a proto mají na zrakové vnímání vliv i další momenty okolního prostoru. * je příjemný psychofyziologický stav, při kterém zrakový systém optimálně plní své funkce a při kterém člověk dobře vidí a je „v pohodě“.


Základní veličiny a jednotky Ve světelné technice se sledují důsledky působení záření na zrakový vjem. Neposuzují se energetické veličiny, ale pracuje se s fotometrickými pojmy a veličinami, které respektují proměnnou citlivost oka pozorovatele k záření různých vlnových délek. Každý pozorovatel má má různé schopnosti vnímat světelné záření. Pro zajištění jednotnosti světelně technických výpočtů se počítá s citlivostí „normálního fotometrického pozorovatele“.


Základní veličiny a jednotky 1. Světelný tok

-

φ (lm)

(lumen)

Vyjadřuje schopnost zářivého toku způsobit zrakový vjem. Světelný tok monofrekvenčního záření (záření o dané vlnové délce): φ(λ λ) = K(λ λ) * φe(λ λ) = 683 * V(λ λ)* φe(λ λ) (lm;lm/W,W) kde

K(λ λ) … světelná účinnost monofrekvenčního záření (lm/W) Při denním vidění je K = Kmax = 683 lm/W pro λ = 555 nm Pro jiné vlnové délky je K < Kmax Při nočním vidění je K’ = K’max = 1700lm/W pro λ = 507 nm φe(λ λ)… zářivý výkon (W) V(λ λ) … poměrná hodnota světelné účinnosti (0 – 1)

Světelný tok je tedy zářivý tok zhodnocený zrakovým orgánem normálního pozorovatele, obvykle při denním vidění.


Základní veličiny a jednotky

Světelný tok


Základní veličiny a jednotky

noc den


Základní veličiny a jednotky 2. Prostorový úhel

-

Ω (sr)

(steradián)

Je to plocha, která je vymezena obecnou kuželovou plochou na povrchu koule jejíž střed (vrchol prostorového úhlu) je totožný s vrcholem uvažované kuželové plochy. Jeden steradián je určený jednotkovou plochou (1 m2), na povrchu jednotkové koule (r = 1m). Ω = Ak/r2 (sr;m2,m) kde

Ak … r…

plocha vymezená kuželovou plochou (m2) poloměr koule, na jejíž plášti je vymezená plocha Ak

Maximální prostorový úhel: Ωmax = (4*π π*r2)/r2 = 4*π π


Základní veličiny a jednotky 3. Svítivost

-

I (cd)

(candela)

Je to prostorová hustota světelného toku v různých směrech. Určuje, kolik světelného toku vyzáří světelný zdroj do prostorového úhlu v určitém směru Svítivost se určuje pro bodový zdroj (svítící plocha má zanedbatelnou velikost ve srovnání s ozařovanou plochou) Svítivost bodového zdroje v daném směru (ohraničení danými úhly)

kde

I = φ/Ω Ω

(cd;lm,sr)

φ… Ω…

světelný tok prostorový úhel do kterého světelný zdroj vyzařuje


Svítivost Po určení hodnoty svítivosti ve všech směrech prostoru, vynesení (radiusvektory) z bodového zdroje a spojení všech koncových bodů ⇒ fotometrická plocha svítivosti I (cd) nebo (cd/lm).. 1200

1500

900

0 40

I0 - svítivost uvažovaného zdroje ve vztažném směru

γ

60 80

Iγ

I0

600

100 I (cd)

300

Osa y – lze i jednotka cd/lm

Iγ - svítivost uvažovaného zdroje v daném směru Čáry svítivosti jsou uvedeny výrobcem v katalogu a podle typu svítidla se vyhotovují v jedné nebo ve dvou rovinách. Žárovka (obyčejná, mléčná) - stačí jedna rovina Zářivka - nutné dvě roviny V katalogu jsou přepočítány křivky svítivosti pro φ = 1000 lm. Iγsk. = Iγ * (φ φ/1000)


Základní veličiny a jednotky 4. Osvětlenost (intenzita osvětlení)

-

E (lx)

(lux)

Je to plošná hustota světelného toku dopadajícího na danou plochu. Intenzita osvětlení je 1 lux, jestliže světelný zdroj se světelným tokem 1 lumen ozařuje plochu 1 m2 ze vzdálenosti 1 m Orientačně - „Svíčka ve vzdálenosti 1 m má osvětlenost přibližně 1 lux“.

Osvětlenost v kolmém směru je přímo úměrná svítivosti a nepřímo úměrné kvadrátu vzdálenosti


Osvětlenost (intenzita osvětlení) Pro bodový zdroj světla platí: E = (Iγ/l2) * cos γ (lx;cd,m) kde

Iγ … svítivost zdroje v daném směru l… vzdálenost světelného zdroje (Intenzita osvětlení klesá s kvadrátem vzdálenosti)

γ

I0 (cd)

l Iγ (cd)


Příklad na výpočet osvětlení K osvětlení prostoru je použito zářivkové svítidlo 4 * 18 W. Světelný tok použité zářivky je 1 350 lm. Vypočítejte osvětlení v daném bodě. 1200

1500

E= 0

900

50

* cos γ

l = 32 + 4 2 = 5

4m

γ

l

tgγ =

100

Iγ ´

300

I0

I γ´ = 170(cd / klm) 600

200 I0 (cd)/klm

l

2

3 = 0,75 4 γ = 37 0

γ

150

Iγ

3m

I γ = I γ´ * φ = 170 * 4 *1,35 = 918(cd ) 918 E= 2 * 0,8 = 147(lx) 2 3 +4

Iγ


Základní veličiny a jednotky 5. Jas svazku světelných paprsků

-

L (cd/m2)

Je to veličina, na kterou reaguje zrakový orgán a je měřítkem pro vjem světlosti svítícího nebo osvětlovaného tělesa, jak je vnímá lidské oko. Jen dán odrazem světla od dané látky. Je důležitý z hlediska oslnění L = I/Sp

(cd/m2;cd,m2)

(pro homogenní, nerozptylující a nepohlcující prostředí je jas nezávislý na vzdálenosti od zdroje) kde I … svítivost Sp … viditelná svítící plocha Lze přesně definovat zejména u venkovního osvětlení, kde můžeme jednoznačně určit odrazivost (např. asfalt). Jas je závislý na stanovišti pozorovatele a směru jeho pohledu.


Oslnění vzniká, je-li velký rozdíl mezi jasy pozadí a zdrojem (lidské oko porovnává jas zdroje s jasem pozadí) a odrazem od zrcadlových ploch – závojové oslnění. Jak lze omezit závojové oslnění ? Matové plochy, rozmístění svítidel, omezení jasu, zvětšení svítící plochy. Je stejné oslnění od protijedoucího automobilu ve dne a v noci ?

pozadí pozorovatel

6. Činitel oslnění

-

UGRL - vnitřní prostory GR - venkovní prostory Zrak je citlivý na jas a zároveň každou barvu vnímá jinak (viz čára spektrální citlivosti). Pro určení oslnění je důležité určit jas pozadí, což není jednoduché. Oslnění lze omezit vhodným cloněním (žaluzie).


1. varianta

2. varianta Jaká z obou variant je vhodná pro osvětlení místnosti s monitorem ?

Výhodnější je 1. varianta, protože u 2. varianty dochází k oslnění pozorovatele

pozorovatel


Je realizace osvětlení pracoviště se dvěma pracovníky řešena správně ? V čem se projektant dopustil chyby ?

1. pozorovatel

2. pozorovatel


Základní veličiny a jednotky 7. Měrný světelný výkon

-

ηe (lm/W)

udává, s jakou „účinností“ je elektrická energie přeměňována na světlo (jak velký světelný tok se získá z 1W) ηe = φ/Pp (lm/W;lm,W) 8. Teplota chromatičnosti

-

Tc (K)

světelného zdroje je ekvivalentní teplota absolutně černého zářiče, při které je spektrální složení záření těchto dvou zdrojů blízké.

extra teple bílá 2 700 K

teple bílá 3 000 K

denní

bílá 4 000 K

chladná bílá 8 000 K


9. Index barevného podání

-

Ra (-)

Každý světelný zdroj by měl podávat svým světelným tokem barvy okolí věrohodně, jako u přirozeného světla. Ra se pohybuje v rozsahu 100 (věrné podání barev v celém spektru) až 0 (některé barvy nejsou podány vůbec – značné barevné zkreslení).

Určete příklady pro požadavky na index barevného podání a teplotu chromatičnosti * * * *

průmyslový podnik třída obývací pokoj útulná restaurace


Světelná technika Světelné zdroje


Světelná technika - světelné zdroje - rozdělení Podle vzniku: * přírodní * umělé

(slunce, blesk, měsíc) (svíčka, žárovka, výbojka, …)

* prvotní světelný zdroj * druhotný světelný zdroj

- zdroj, ve kterém světlo vzniklo - povrch nebo předmět, který světelné paprsky pouze odráží nebo propouští

Druhy světelných zdrojů: * teplotní

při průchodu proudu vodivou látkou dochází ke žhavení na teplotu, při které dochází k emisi viditelného záření. Spektrum záření je spojité. (wolframová žárovka, …).

* výbojové (nízkotlaké a vysokotlaké) jsou založeny na principu elektrického výboje v plynech a parách kovů. Elektrická energie se přeměňuje na kinetickou energii na kinetickou energii elektronů. Při srážkách elektronů s atomy plynů kovových par se jejich energie mění na optické záření. Spektrum záření je čárové, rozložení je dáno druhem výboje a složení a tlaku plynné náplně.


Luminiscence (fotoluminiscence): je přeměna (transformace) ultrafialové záření výboje uvnitř trubice v luminiscenční vrstvě (na vnitřní stěně trubice) na viditelné záření. Luminiscenční záření je čárové.

Ukazatelé kvality světelných zdrojů 1. 2. 3. 4.

Elektrický příkon Pp (W) Vyzařovaný světelný tok φ (lm) Měrný světelný výkon zdroje ηe (lm/W) Doba života zdroje T (hod) Doba života je orientační údaj, tolerance u daného světelného zdroje může být velká. Určení doby života: Zkouší se naráz 100 stejných světelných zdrojů. Doba života je čas, kdy přestane svítit 50% zkoušených světelných zdrojů


Ukazatelé kvality světelných zdrojů 5.

6. 7.

8. 9. 10. 11. 12.

Ekonomická doba života Te (hod) Při provozu se většinou s časem snižuje světelný tok. Ekonomická doba života je doba, kdy klesne světelný tok na 80 % původní hodnoty. Teplotou chromatičnosti Tc (K) Index podání barev Ra (-) Body 6 a 7. tvoří důležité parametry pro světelnou pohodu Stabilita světelného toku a rozdělení světelné toku do prostoru, možnost regulace Závislost světelného toku na vnějších vlivech (teplota, napětí, …) Geometrické rozměry, hmotnost Poloha zdroje Cena


Světelné zdroje Teplotní

Výbojové

Klasické

S regenerací

Žárovky

Halogenové

Vakuované Se vzácnými plyny

Vysokotlak é

Nízkotlaké Rtuťové

S elektrodami

Rtuťové Standardní

Směsové

Zářivky

Halogenido vé

Kompaktní zářivky

Sodíkové

Bez elektrod Indukční výbojky

Standardní Ekviv. za Hg výbojku

Sodíkové

LED

Speciální

Se zvýšeným tlakem Xe S interním zapalovače m Zlepšené Ra


Nízkotlaká rtuťová výbojka

Kompaktní zářivka

lineární zářivka

kompaktní s předřadníke m

vysokotlaká

100-300 35-300

nízkotlaká

klasická

příkon (W)

halogenová

světelný zdroj (výběr)

sodíková výbojka

Rtuťová s vysokotlaká luminoforem výbojka

žárovka

17-58

7-80

18-180 50-1000 50-400 100-183 66-139

36-60

60-105

45-65

ηe (lm/W)

16,518,7

9,2-17

život (h)

2000

1000

8000

600020000

600012000

800016000

500012000

Ra

100

100

0

20

50

60-98

60-90

Tc (K)

29003000

25003000

xxx

2050

3150

2750-8000


Vliv napětí na světelný tok a životnost

Životnost: 7. 6.

Poměrný světelný tok: 1. 4. 2.-3. 5.

Klasická žárovka Zářivka s klasickým předřadníkem (tlumivkou) Vysokotlaké výbojky, halogenové žárovky Nízkotlaké výbojky

Klasická žárovka Zářivka s klasickým předřadníkem


Žárovka 1

2 3 4

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Vlákno (wolfram) Nosné háčky Skleněná tyčinka Přívody Těsnící dráty Čerpací trubička Patice (kontakt) Středový kontakt

5 6 7 8

Náplň baňky: * malé výkony – vakuové * větší výkony – vzácné plyny (zabraňují oxidaci vlákna) Teplota vlákna:

(2000 – 26000)C

Teplota baňky: žárovky

je dána polohou (60 – 220)0C


Základní vlastnosti žárovky Patice E 27, napětí 240 V Příkon (W)

25

40

60

75

100

150

200

Světelný tok (lm (lm))

225

410

700

930

1330

2160

2980

* Mají nejnižší měrný výkon (9 – 17) lm/W, jejich používání je postupně omezováno * Nepotřebují žádné přídavné zařízení, mohou mít různé tvary a baňky * Nejvíce se přibližují slunečnímu svitu, (Ra = 100), a proto jsou vhodné ve společenských a obytných prostorech * Nevadí „teplé“ starty, po zapnutí svítí okamžitě s maximálním světelným tokem * Dají se plynule regulovat změnou napětí * Životnost (1000 hodin) je výrazně ovlivněna počtem sepnutí – při zapnutí vzniká značný proudový náraz (Iz = 12*In) * Existují i žárovky s paticí E14, E27 (nižší výkony) a E33, E 40 s výkony 500W a 2000W


Halogenová žárovka

1

2

3

1. baňka (křemenné sklo) 2. vlákno 3. podpěry

Rozdělení podle konstrukce: * lineární (2 patice) * jednopaticové Využitím halogenového regeneračního cyklu dochází k výraznému zvýšení měrného výkonu.


ϑ<14000C

Halogenový regenerační cyklus

ϑ>14000C křemenné sklo halogenid wolframu atomy jódu (brómu) vlákno

1. 2. 3. 4. 5.

atomy odpařeného wolframu

molekuly odpařeného wolframu „putují“ ke stěně baňky v blízkosti stěny se slučují s atomy halogenů, vzniká halogenid wolframu halogenid wolframu difunduje směrem k vláknu žárovky v blízkosti vlákna se vlivem teploty halogenid štepí na wolfram a halogen halogen se vrací ke stěně baňky, wolfram zůstává u vlákna a zabraňuje dalšímu odpařování kovu z vlákna

V ideálním případě vlákno neubývá. Podmínkou, aby se odpařený atom vrátil do stejného místa, je stejná teplota v baňce. Ve skutečnosti se halogenid wolframu pohybuje do chladnějšího prostoru a atom wolframu se vrací na jiné místo.


Halogenové žárovky *

Podmínkou halogenového cyklu je teplota u vlákna vyšší než 25000C (problém při stmívání) a pro lineární žárovku vodorovná poloha (± 40)

* Při manipulaci je třeba zabránit znečištění baňky (mastnota), která může způsobit zhoršený odvod tepla a zničení žárovky. V případě znečištění lze odmastit, například lihem. * Nové žárovky využívají IRC technologie – napaření tenké kovové vrstvy na vnitřní povrch baňky ⇒ dochází k nižším tepelným ztrátám ⇒ snižuje se potřebná energie ⇒ zvyšuje se měrný výkon. * Nové tvarování baňky umožňuje zvýšení výkonů a rozšíření pracovní polohy (± 150) (OSRAM HALOLINE) * Použití: -

bodové zdroje světla žárovky pro fotografování, automobily osvětlování sportovišť, staveniště reflektory


Halogenové žárovky na malé napětí *

Vyrábějí se v provedení bez odrazné plochy (odraznou plochu pak musí mít svítidlo) nebo s odraznou plochou (Dichroický reflektor) s omezením infračerveného záření (menší tepelné namáhání osvětlovaného tělesa).

* Při použití je třeba brát ohled: 1. Připojení na elektrický obvod - umístění převodního transformátoru (přenos oteplení, kmitání, …) - nebezpečí většího tepelného namáhání, nutno respektovat při uložení (odvod tepla, nehořlavé hmoty). - rozvod elektrické energie (malé napětí ⇒ velké proudy ⇒ ∆U, které způsobí snížení světelného toku ∆ φ ≅ 3 * ∆U - použití elektronických stmívačů (odpovídající typ, zpětné rušení v síti) 2. Světelně technické vlastnosti (viz katalog) * Napětí 12 V (6, 24V), životnost 5 000 hodin, měrný výkon 25 lm/W


Halogenová žárovka na malé napětí se zabudovaným transformátorem


Dichroický reflektor Infračervené záření

Světelný tok

* Maximální světelný tok v daném směru * Výrazné omezení infračerveného (tepelného) záření ve směru světelného toku * Nutno respektovat větší tepelné namáhání podložky při umístění svítidla * Světlo není vhodné na práci


Nízkotlaké výbojové zdroje Lineární zářivky 3

5

4

1

6

2 1. W vlákno s aktivní vrstvou (např. kysličník barya) 2. Elektron 3. Atom rtuti 4. UV záření (253,7 nm) 5. Luminiscenční vrstva 6. Viditelné záření

Princip: 1. Mezi elektrodami hoří výboj 2. Nízkotlaký výboj v parách rtuti se vyzařuje viditelné záření (2%) a UV záření (více než 60%). 3 Část UV záření (asi 19%) se transformuje prostřednictvím luminoforu, který je nanesen na vnitřní stěně trubice, na viditelné záření Vzácný plyn snižuje zápalné napětí a snižuje odpařování kovu z elektrod.


Lineární zářivky Vlastnosti: * Během prvních 100 hodin klesne světelný tok (v katalogu je světelný tok udáván po 100 hodinách svícení), poté klesá pomaleji. Příčiny: - snižující se účinnost luminoforu - u starších trubic zčernání u elektrod (odpařený wolfram z elektrod). * K největšímu odpařování wolframu z elektrod je při zapínání. Proto se zářivka nehodí pro časté vypínání a zapínání (induktivní předřadník) * Plný světelný tok je asi po 10 minutách * Hoření výboje je nestabilní, zářivka musí mít předřadník - induktivní (zvyšuje příkon zářivky o (10–20) %) - elektronický * Průměry trubic se postupně snižují od 38 mm až k 7 mm (nejvíce 16 a 26 mm), výkony běžných trubic jsou od 10 do 58 W. * Maximální světelný tok při okolní teplotě zhruba u trubice s průměrem 26 mm při 250C, u průměru 16 mm 350C.


Luminofor Vlastnosti: * Použitý luminofor tvoří teplotu chromatičnosti (Tc) a index barevného podání (Ra). * Indexy barevného podání Ra = 60, 80 a 90 * Ra = 60 nelze podle normy použít pro pobyt osob více než 4 hodiny * Ra = 80 běžné zářivky v domácnosti a v kanceláři * Ra = 90 v místnostech s vyššími požadavky (operační sály). Oproti Ra = 80 jsou méně ekonomické * Teploty chromatičnosti Tc = 2700, 3000, 4000, 5500, 6800, 8000 K * „Účinnost“ luminoforu výrazně závisí na teplotě okolí (s teplotou klesá) * Označení běžných zářivek L 18 W/840 8 - Ra = (80 – 89) 40 - Tc = 4000 K (chladně bílá)


Základní zapojení s elektromagnetickým předřadníkem


Zapnutí zářivky s induktivním předřadníkem Pro zapálení výboje se využívá se doutnavkový zapalovač (doutnavka + bimetal) 1. Po zapnutí se zapálí na doutnavce výboj, který ohřeje a posléze spojí bimetalový kontakt ⇒ výboj na doutnavce zhasne, hlavní obvod se propojí a začnou se žhavit hlavní elektrody. 2. Bimetal se rozpojí, hlavní obvod se přeruší ⇒ vlivem indukčnosti tlumivky vznikne přepětí, které zapálí výboj. 3. Při hoření výboje vzniká na tlumivce úbytek napětí, který snižuje napětí na elektrodách.


Elektronický předřadník Elektronický předřadník nahrazuje doutnavkový zapalovač, tlumivku a kompenzační kondenzátory. Snižuje elektrický příkon zářivkového svítidla. Svítidlo s trubicí 36 W má příkon bez elektronického předřadníku 46 W, s elektronickým předřadníkem 36 W ⇒ úspora elektrické energie je zhruba 20 %. Příklad: zářivka 2 x 36 W má příkon 69 W Vlastnosti: * okamžité rozsvícení zářivky * frekvence (25 – 70) kHz ⇒ odstranění stroboskopického jevu * zpomaluje pokles světelného toku v průběhu života zářivky * životnost zářivek se zvyšuje asi o 50% * větší stabilita světelných parametrů při kolísání napětí Další možnosti elektronických předřadníků: * stmívání – dnes řešeno změnou frekvence ve stmívatelném předřadníku systémem DALI (má otevřený protokol a lze ho volně programovat) - stmívání a světelné scény * ovládání po sběrnici * možnost centrálního řízení


Kompaktní zářivky Odstraňují hlavní nevýhodu lineárních zářivek – velikost. Provedení:

a) neobsahují ani startér ani tlumivku (musí být vně). Snižují pouze rozměry zářivky b) mají startér, tlumivka je mimo zářivku c) obsahují elektronický předřadník

Rozdělení podle patice:

1. paticové 2. na závit (E27, E14)

Porovnejte oba typy z hlediska světelných vlastností


Porovnání výkonu světelných zdrojů Světelný tok

Kompaktní zářivka

Halogenová žárovka

Klasická žárovka

150 lm

4W

20 W

200 lm

5W

20 W

25 W

250–400 lm

6/7 W

20/25 W

30/35 W

450 lm

8/9 W

28 W

40 W

500 lm

10 W

35 W

50 W

550–700 lm

11 W

40/42 W

60 W

800 lm

14 W

42/50 W

65 W

950 lm

17 W

50 W

75 W

1200 lm

20 W

70 W

100 W

1500 lm

23 W

100 W

120 W


Bezelektrodová zářivka

Cívka na feritovém jádře

Elektron Atomy rtuti

UV záření

Cívka na feritovém jádře Luminofor

Magnetické pole cívky

Princip: Trubice není lineární a je tvořena speciálním geometrickým tvarem (obdélník). Elektrony jsou urychlovány magnetickým polem, které vzniká prostřednictvím dvou cívek na feritových jádrech (kmitočet 250 kHz). Odstraňuje hlavní nevýhodu - elektrody.


• • * *

Vhodná v prostorách s obtížnou výměnou zářivek, životnost je až 60 000 hodin (tunely, výrobní haly, …) Vyráběné výkony – 23, 70, 100 a 150 W Měrný světelný výkon je 80 lm/W


Vysokotlaké rtuťové výbojky H

- hořák (výbojová trubice – křemenné sklo) * je naplněný rtutí a argonem * provozní tlak je (0,2 - 0,9) MPa * teplota výboje je 5 500 K * teplota hořáku (600 – 800)0C HE - hlavní elektrody (W drát pokrytý kysličníky) PE - zapalovací (pomocná) elektroda R - předřazený rezistor (10 – 25) kΩ Ω B - vnější baňka se směsí argonu a dusíku * tlak v baňce je zhruba 50 kPa * chrání před okysličením nosného systému * nepropouští UV záření * vytváří tepelnou izolaci * je pokryta luminoforem Princip:

* zapálení výboje mezi hlavní a pomocnou elektrodou * výboj je stabilizován rezistorem (omezuje velikost proudu * při hoření pomocného výboje dochází k ionizaci v hořáku výbojky * po určité době se zapálí výboj mezi hlavními elektrodami Výbojka musí mít tlumivku, ale nepotřebuje zapalovač (startér).


Vlastnosti a použití * * * * *

*

na rozdíl od zářivek není přímý kontakt mezi luminoforem a výbojem při zvyšování tlaku roste měrný výkon (50 – 60) lm/W a vzniká spojité spektrum ve spektru chybí červená složka ⇒ nelze použít pro osvětlování vnitřních prostor náběh výbojky trvá (5 – 10) minut při hoření výboje je vlivem teploty v hořáku velký tlak, který po vypnutí nedovolí opětovné zapálení. To lze provést po ochlazení a poklesu tlaku, asi po 10 – 15 minutách. dříve - pouliční osvětlení, sportoviště, …, dnes se nově neinstaluje.

výkonová řada (W)

50 – 1000

Ra

40 - 59

Tc (K)

3 000 – 3 400

měrný výkon (lm (lm/W) /W)

36 – 55

životnost (h)

12 000 – 15 000


Halogenidové výbojky

V hořáku jsou kromě par rtuti i sloučeniny halogenidů (galium, thalium sodík), čímž se výrazně zlepšuje barevné spektrum. Vznik viditelného záření

- záření par rtuti - záření produktů štěpení halogenidů

Výbojka nemá pomocnou elektrodu, ale musí mít vnější vn zapalovač Při vypnutí je opětovný start za 10-15 minut (? proč ?). Z důvodu vysoké teploty a je vysoký tlak, který nedovolí opětovné zapálení Plný světelný tok je asi za 10 -15 minut.



TZ - zapalovací zařízení Ck - kompenzační kondenzátor výkonová řada (W)

20 – 2000

Ra

65 - 96

Tc (K)

3 000 – 3 400

měrný výkon (lm/W)

52 – 110

životnost (h)

5 000 – 10 000

RVI Tl

- výbojka - tlumivka



Použití: * tam, kde není vhodná sodíková výbojka z důvodů nízkého indexu barevného podání (sodík 20, halogenidová až okolo 90) * sportoviště * prodejny, světlomety, výbojky * projekční technika Nevýhoda: v porovnání se sodíkovými výbojkami je zhruba poloviční životnost


Nízkotlaké sodíkové výbojky

* Výboj hoří v parách sodíku o tlaku 0,5 Pa * Vyzařují viditelné monochromatické záření (baňka nemusí mít luminofor) o vlnových délkách 589 a 589,6 nm (žluté spektrum) * měrný výkon je až 200 lm/W * index barevného podání Ra = 0 (nelze rozlišovat barvy) * vhodné pro osvětlení v místě častých mlh, přístavy, silnice (dálniční křižovatka u Mladé Boleslavi – střední pruh)


Vysokotlaké sodíkové výbojky

* výboj hoří v parách sodíku o tlaku 26,6 kPa ⇒ vyšší teplota hořáku * provozní teplota hořáku je asi 8000C, materiál hořáku je krystalický kysličník hlinitý (korund) * zvýšením tlaku dochází k rozšíření spektra ⇒ index barevného podání se zvyšuje (Ra = 20) * měrný výkon je až 120 lm/W * do hořáku se přidává rtuť (zlepšení barevného spektra a snížení proudu) * mezi hořákem a baňkou je vakuum


Provedení: * s vysokonapěťovým zapalovačem (viz obrázek) * bez zapalovače – speciální směs plynů v hořáku a pomocná elektroda (nižší měrný výkon, náhrada vysokotlakých rtuťových výbojek) Vlastnosti: * vysoká životnost, až 20 000 hodin * měrný výkon (39 – 150) lm/W * index barevného podání (25 – 80) * doba náběhu je 6 – 10 minut * po krátkodobém přerušení přívodu je opětovné připojení zhruba po 1 minutě * při zvýšení provozní teploty vzroste napětí a výboj zhasne. Po ochladnutí se opětovně zapaluje. Použití: silnice, výrobní haly, sportoviště…


Světelné diody - LED V porovnání s ostatními světelnými zdroji zaznamenávají prudký vývoj ! Princip: Při průchodu proudu polovodičovým přechodem v propustném směru dochází při rekombinaci elektronu (spojení elektronu s iontem) k uvolnění určité energie, která se vyzáří mimo krystal. Světelné záření je monochromatické, barva je dána použitým materiálem (např. GaAsP – červená barva).

Bílé světlo: Z principu funkce světelné diody nelze získat bílé světlo. K bílému světlu vedou 2 metody: 1. spojení červené, modré a zelené barvy Vlivem nerovnoměrné degradace jednotlivých druhů čipů může docházet k nežádoucím posunům


Světelné diody - LED Bílé světlo: 2. kombinací modré LED diody a luminoforu * luminoforem, který je buzen světlem modré diody * luminoforem, který přeměňuje UV záření do oblasti viditelného spektra (stejný princip jako u zářivky)

Použití LED diod: * signalizace (kontrolky, dopravní značky, palubní desky automobilů) * venkovní osvětlení (osvětlení silnic, mostů, chodníky a pěší zóny, cyklostezky, památky, tunely) * vnitřní osvětlení (veřejné prostory, pracovny, muzea) * zobrazovací technika a reklama * zdravotnictví * ostatní (dálkové ovládání, čtení čárových kódů, optická myš, hračky, doly, …)


Světelné diody - LED


Světelné diody - LED Vlastnosti: * s rostoucí teplotou klesá světelný tok * vyzařovaný výkon je usměrněn do prostorového úhlu 1200 * k dosažení požadovaného výkonu je třeba diody sdružovat do celků * diodu nelze použít k intenzivnímu bodovému osvětlení * dlouhá životnost (10 000 hodin) * odolnost proti nárazům * malé provozní napětí - bezpečnost * okamžitý start a restart – možnost blikání * možnost stmívání * různé barvy * neobsahuje rtuť – ekologické * odolnost proti nárazům * při proudu 350 mA je výkon zhruba 1 W ⇒ měrný výkon 105 lm/W * měrný výkon není konstantní, závisí na výkonu * výkony – klasické do 100 mW, výkonové do 5W * index podání barev Ra = 80 * teplota chromatičnosti (2 500 – 8 000) K


Světelné diody - LED


Světelná technika Svítidla


Obecné Proč samotné světelné zdroje nestačí k osvětlování ? - mají nevhodné rozložení světelného toku do prostoru - mají příliš vysoký jas a mohou způsobit oslnění - nejsou dostatečně odolné proti vlivům okolního prostředí (vlhko, prach, …). Co je to svítidlo ? Svítidlo je elektrické zařízení, které slouží: - k úpravě prostorového rozložení světelného toku zdrojů, - k rozptýlení světla světelných zdrojů - ke změně spektrálního rozložení záření - k napájení a k upevnění světelného zdroje - k ochraně světelných zdrojů před nepříznivými vlivy okolního prostředí Svítidlo by mělo mít jednoduchou montáž a údržbu, být provozně spolehlivé a splňovat podmínky ochrany před nebezpečným dotykem. Nezanedbatelným aspektem je estetická úroveň. Speciálním druhem svítidla jsou světlomety a návěstidla.


Části svítidla Jaké jsou hlavní části svítidla ? a) světelně činné části – slouží ke změně rozložení světelného toku, případně i ke změně spektrálního složení - reflektor - mění prostorové rozložení světelného toku odrazem světla. Nejvíce se používají zrcadlové reflektory. - refraktor a čočka - mění prostorové rozložení světelného toku prostupem a lomem světelných paprsků - rozptylovač - mění prostorové rozložení světelného toku prostupem a rozptylem světla (musí být matný) - stínidlo - clony, které brání přímému pohledu na světelný zdroj - filtr - mění spektrální složení nebo zmenšují světelný tok


Části svítidla b)konstrukční části – slouží k upevnění svítidla, přívodu elektrické energie a k ochraně před nebezpečným dotykem a vnějšími vlivy. - těleso svítidla - objímka světelného zdroje - mechanické a elektrorozvodné prvky - předřadník, případně startér

Účinnost svítidla: kde φsv

- výsledný světelný tok svítidla

∑φzdr - součet světelných toků jednotlivých zdrojů ve svítidle

φ sv η sv = ≤1 Σφ zdr

Podle způsobu určení ∑φzdr existují různé účinnosti (provozní, optická, …). Závisí, zda bereme katalogové hodnoty nebo skutečné hodnoty (ovlivněné například okolní teplotou).


Obecné vlastnosti svítidel Členění svítidel: -

přímá převážně přímá smíšená přímo nepřímá

-

90% světelného toku jde do spodní polokoule (60-90) % světelného toku jde do spodní polokoule (40-60) % světelného toku jde do každé polokoule podobné jako smíšená, ale světelný tok není v horizontální poloze - převážně nepřímá - (60-90) % světelného toku jde do horní polokoule - nepřímá - 90% světelného toku jde do horní polokoule


Existuje i možnost vyjádření v jiných rovinách (α α, β )

Příklady křivek svítivosti svítidel


Obecné vlastnosti svítidel Úhel clonění svítidla (δ δ) je nejmenší ostrý úhel mezi vodorovnou rovinou a přímkou spojující okraj svítidla s aktivní částí světelného zdroje: -

čirá žárovka matná žárovka výbojka zářivka – rovnoběžná rovina zářivka – kolmá rovina


Elektrické vlastnosti Rozdělení svítidel podle napětí: * na malé napětí do 50 V (zpravidla 48 V) * na nízké napětí do 250 V Podmínky pro bezporuchový a bezpečný provoz svítidla: * krytí živých částí (výběr) - minimální krytí IP 20 (chráněné před dotykem prstem) - těsně zavřené IP 54 (částečně chráněné proti prachu a vodou) - ponorné IP 68 (plná ochrana před prachem a vodou) * ochrana před nebezpečných dotykem - svítidla třídy ochrany I (připojení ochranného vodiče) - svítidla třídy ochrany II (dvojitá nebo zesílená izolace) - svítidla třídy ochrany III (malé bezpečné napětí) * požární bezpečnost - různé materiály se stanovenou maximální provozní teplotou * nevýbušné provedení

Svítidla vhodná pro přímou montáž na normálně zápalné povrchy. Značka označující elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) Značka pro vysokotlaké sodíkové výbojky, které vyžadují vnější zařízení. Svítidla s vysokotlakými sodíkovými výbojkami mající vnitřní zapalovací zařízení Třída izolace II Značka pro svítidla určená do prostředí s nebezpečím výbuchu. Napájecí napětí a frekvence Jmenovitá nejvyšší teplota prostředí Indukční předřadník Elektronický předřadník Stmívatelný elektronický předřadník Označuje stupeň ochrany krytů el.zařízení proti mechanickým nárazům (IK kód). Svítidla pro těžký provoz. Jednofázové průběžné zapojení Třífázové průběžné zapojení Nouzové svítidlo Použité plastové díly jsou UV stabilní Značky si z převážné části určuje výrobce. Částečně jsou unifikované.


Přehled svítidel 1. Průmyslová





Třída ochrany I nebo II


Přehled svítidel 1. Průmyslová – pro nebezpečí výbuchu


Přehled svítidel 1. Průmyslová - pro extrémní teploty

Provozní teplota: – 400C Provozní teplota: + 700C


Přehled svítidel 2. Nouzová


Mřížky a optické kryty pro interiér Leštěný optický systém - pracoviště s monitory, zrakově náročná činnost

Leštěný optický systém + sklo bezpečnostní sklo pro požadavek lepšího krytí

Plexi nebo opálový kryt – omezení jasu svítidla např. v nemocnici


Přehled svítidel 3. Interiér - podhledová Do sádrokartonu


Přehled svítidel 3. Interiér - podhledová Do minerálního podhledu


Přehled svítidel 3. Interiér - univerzální Na povrch nebo do podhledu


Přehled svítidel 3. Interiér – přisazená (stropní)


Přehled svítidel 3. Interiér – závěsná a propojovací


Přehled svítidel 3. Interiér – přímo nepřímá


Přehled svítidel 3. Interiér – asymetrická


Přehled svítidel 3. Interiér – pro kompaktní zářivky


Přehled svítidel 3. Interiér – LED diody


Přehled svítidel 3. Interiér – světla na stěnu


Přehled svítidel 4. Výbojková pro vnitřní použití


Zdroj: Jiří Plch Jiří Habel

Světelná technika v praxi Základy světelné techniky http://www.elkovo-cepelik.cz

Materiál je určen pouze pro studijní účely

Projektování automatizovaných systémů

Recommend Documents