STŘEDNÍ ŠKOLA, HAVÍŘOV-ŠUMBARK, SÝKOROVA 1/613 příspěvková organizace
UŽITÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE ELEKTRICKÁ TRAKCE ELEKTROTEPELNÁ TECHNIKA ELEKTRICKÉ SVĚTLO Ing. Tomáš Kostka
verze 2/2004
Elektrická trakce Definice, rozdělení, výhody Použitím elektrické energie pro pohon kol vozidel vzniká druh dopravy nazvaný elektrická vozba. Způsob pohonu hnacích kol elektromotorem má odborný název elektrická trakce a elektromotor nazýváme trakční motor (TM). Rozdělení elektrické vozby v ČR: a.) podle druhu el. vozby
-
hlavní dálkové dráhy městské dráhy podzemní dráhy (metro) důlní dráhy průmyslové dráhy silniční trolejové dráhy
b.) podle napěťové soustavy - stejnosměrné soustavy - střídavé soustavy -
250 V – důlní hlubinné dráhy 600 V – mětské dráhy 750 V – metro 1500 V – železnice a průmyslové dráhy 3000 V – železnice 25 kV/50 Hz (ve světě 25 a 16⅔ Hz)
V severní části ČR (např. Ostrava, Praha, Olomouc) je provedeno napájení soustavou o napětí 3 kV stejnosměrných. V jižní části ČR (např. České Budějovice, Brno) je provedeno napájení soustavou 25 kV, 50 Hz. c.) podle přívodu elektrické energie do vozidla - nezávislá trakce – zdroj energie je umístěn ve voze - závislá trakce – energie je do vozu přiváděna Výhody elektrické trakce: • • • • • • • • • • • •
trakční vozidla jsou lehká trakční vozidla jsou výhodná na horských tratích s velkými výškovými rozdíly, protože při brzdění se dodává do sítě proud (tzv. rekuperace) motor má malou hmotnost a malé rozměry, je otřesuvzdorný řízení otáček motoru je velmi snadné motor vyvine velký točivý moment a velkou tažnou sílu potřebný hnací výkon se může rozdělit na více motorů velká energetická účinnost dlouhá životnost jednoduchá obsluha velká kapacita přepravy (do metra nebo vlaku se vejde více lidí než do autobusu) železnice zrychluje dopravu, zvětšuje cestovní ruch; snižuje přetížení silnic (kolony, zácpy) provoz bez znečišťování životního prostředí (oproti parní se zlepšil vzduch v tunelech)
2
Nezávislá elektrická trakce Vozidlo nezávislé trakce není závislé na přívodu elektrické energie, protože zdroj energie pro trakční motory je umístěn v samotném vozidle. Podle zdroje energie rozeznáváme tyto druhy vozidel elektrické trakce: • benzínoelektrické • dieselelektrické • parní – turboelektrické • akumulátorové • setrvačníkové
Dieselekektrická vozba Dieselelektrické lokomotivy (obr. 1.) se používají zejména na posunování vagónů, pro pohon vlaků na tratích bez trolejového vedení, na kolejištích ve velkých průmyslových závodech a pro přepravu osob na kratších vedlejších tratích („motoráčky“). Představují zálohu pro hlavní elektrifikované tratě v případě havárií elektrických zařízení (trolejové vedení, napájecí stanice, přívodní vedení vn a vvn aj.)
Obr. 1. Princip dieselelektrické lokomotivy
DM
G
TM
TM
DM – dieselový motor G – generátor TM – trakční motor
Akumulátorová vozba Vozidla akumulátorové vozby využívají k pohonu trakčních motorů proud z akumulátorové baterie (obr. 2). Tyto vozidla mají velkou hmotnost a proto se používají na menší vzdálenosti a menší rychlosti. Nejrozšířenější jsou vozíky o nosnosti 1-3 tuny pro rozvoz zboží a materiálu ve skladištích, závodech, nádražích apod. Dojezd vozíku je 20-40 km. Železnice využívá akumulátorové lokomotivy pro posunování vagónů a především v dolech v prostředí s nebezpečím výbuchu.
B Obr. 2. Princip akumulátorové vozby
TM
B – akumulátorová baterie TM – trakční motor
3
Setrvačníková vozba Setrvačníková vozba (obr. 3.) využívá nahromaděnou kinetickou energii (E = ½.m.v2) v roztočeném setrvačníku o velké hmotnosti. Setrvačník se v napájecí stanici roztočí elektromotorem a po odpojení pohání setrvačností elektrický generátor. Setrvačníková vozba se používá zejména v hlubinných dolech a v kyvadlové dopravě (např. mezi sklady, mezi přístavem a skladem, apod.).
S Obr. 3. Princip setrvačníkové vozby
G
S – setrvačník G – generátor TM – trakční motor
TM
Závislá elektrická trakce U závislé trakce se elektrická energie přivádí do vozidla z trakčního vedení vhodným sběračem, a proto je vozidlo závislé na rozvodu elektrického proudu.
Vozidla pro stejnosměrnou soustavu Tramvaj nebo lokomotiva – odebírá elektrickou energii z trolejového vedení pantografovým sběračem (+ pól) a kolejnicí se proud vrací zpět ke zdroji (– pól). Metro – odbírá elektrickou energii z třetí kolejnice (+ pól) uložené izolovaně (po této kolejnici metro nejezdí) a kolejnice po kterých souprava jezdí tvoří opačný pól (– pól). Trolejbus – odebírá elektrickou energii z dvoupólového trakčního vedení (jeden vodič + pól, druhý vodič – pól). –
+
+
–
METRO
TRAM
T-BUS
+
– Obr. 4. Princip napájení městské dopravy
4
Stejnosměrný proud se vyrábí v měnírnách. Měnírna je elektrická stanice, ve které se transformuje napětí z vyšší napěťové hladiny na nižší a střídavý proud se usměrňuje. 110 kV, 50 Hz 110/22 kV 22 kV, 50 Hz 22/1,5 kV
= 1,5 kV
Obr. 5. Schéma napájení hlavní dráhy stejnosměrným napětím 1,5 kV
Vozidla pro jednofázovou a třífázovou soustavu Trolej jednofázové soustavy je napájena napětím 10 až 25 kV s frekvencí 50, 25 nebo 16⅔ Hz. V ČR se používá pouze frekvence 50 Hz. V Německu, Švýcarsku, USA a v dalších zemích se používá nižší frekvence z důvodů komutace střídavého motoru. V lokomotivě se změní jednofázová soustava na trojfázovou nebo se střídavý proud usměrní. Lokomotivní transformátor je řešen jako autotransformátor.
110 kV, 50 Hz
110/25 kV
25 kV, 50 Hz
Obr. 6. Schéma napájení hlavní dráhy jednofázové střídavé soustavy 25 kV, 50 Hz
Přívod trojfázové soustavy je řešen dvěma trolejemi a kolejnicí. Napětí přívodu je 10 kV, 50 Hz. Trakční motory jsou asynchronní kroužkové. Trojfázová soustava je vhodná pro velmi dlouhé tratě s malým počtem stanic a křižovatek. Využití je tedy velmi omezené. V ČR se konstruují dvouproudová vozidla. Tyto lokomotivy mohou jezdit jak na trati 3 kV stejnosměrného napětí, tak na trati 25 kV, 50 Hz střídavého napětí. Přepínání na určitou soustavu se děje v lokomotivě automaticky, bez zásahu obsluhy.
5
Trolejové vedení Trolejové vedení je ta část přívodního vedení, která se používá pro vlastní napájení elektrických vozidel. Z trolejového vedení se proud dostává do vozidla přes pantograf. Stykové plochy pantografu jsou z uhlíku, zatímco trolejový drát je z mědi. Vyrábí se s jmenovitými průřezy 80, 100 a 150 mm2. Trolejový drát je zavěšen na nosném laně. Používají se lana AlFe nebo měděné vodiče. Ke stožárům je vedení připevněno pomocí izolátorů. Rozestup stožárů je v důlní dopravě 4-5 m, v městské dopravě 20-25m a v železniční dopravě 30-35m. Čím jsou rychlosti větší, tím rovnoměrněji musí být trolejový vodič zavěšen. Aby se trolejové lano nepodvěšovalo (tažením, změnou teploty) je napínáno (obr. 7). Zpětné vedení vytvářejí kolejnice a kabely. Kolejnice musí mít co nejmenší odpor, proto se v místech spojení propojí přivařenými měděnými lany. Obr. 7. Způsob napínání závěsného lana a troleje
6
Elektrotepelná technika Názvosloví, veličiny, jednotky Teplo je druh energie (kinetická energie pohybu molekul). Má stejnou jednotku jako mechanická energie, tj. 1 J = 1 Ws. Pod názvem elektrické teplo rozumíme teplo získané elektrickými prostředky. Základní veličinou je teplota. Jednotkou teploty je K (kelvin). Současně se používá Celsiův stupeň, jenž je rozměrově stejný, avšak 0 °C = 273,15 K. 0 K je takzvaná absolutní nula, při které přestává pohyb molekul.
Základem tepelných výpočtů v elektrotechnice je Joulův-Lencův zákon Q = R.I2.t [J]
Šíření tepla Teplo se šíří z teplejšího prostředí do chladnějšího prostředí vedením (kondukcí), prouděním (kovenkcí) a sáláním (radiací). Zpravidla se šíří všemi těmito způsoby současně, ale některý z nich může převládat.
Vedení tepla - kondukce Vedení tepla se vyskytuje u pevných látek. Hovoříme o tzv. prostupu tepla.
Proudění tepla – konvekce Proudění tepla nastává tehdy, jestliže prostředím, které přenáší teplo, je plyn nebo kapalina a prostředím, které teplo přivádí, je tuhé těleso nebo naopak. Teplo se přitom přenáší prostřednictvím pohybujících se částic plynu nebo kapalin. Pohyb částic může být přirozený – nestejnoměrným rozdělením v kapalině nebo plynu, popř. nucený – zrychlujeme-li částice čerpadlem nebo ventilátorem. Jako příklad lze uvést přenos tepla v elektrické odporové peci z roztopených stěn nebo rezistorů na vsázku prouděním plynného prostředí.
c) Sálání tepla – radiace Těleso, jehož teplota je vyšší než 0 K, vyzařuje (sálá) všemi směry infračervené paprsky s vlnovou délkou λ = 750 až 10 000 nm a paprsky s vlnovou délkou λ = 10 000 až 1 000 000 nm (tzv. tepelné). Pro sálání platí tytéž zákony jako pro světelné záření.
Zdroje tepla v elektrotechnice – elektrický ohřev Elektrické teplo vzniká přeměnou z elektrické energie. Známe tyto druhy přeměny: • • • • •
odporový ohřev (průchodem elektrického proudu rezistorem: topné rezistory, odporové pece, elektrické vytápění, odporové svařování) obloukový ohřev (elektrický oblouk: obloukové pece, obloukové svařování) indukční ohřev (teplo vzniklé indukovanými proudy) dielektrický ohřev infračervený ohřev
7
Odporový ohřev Elektrický příkon P = UI = RI2 = U2/R se přitom mění v teplo (Joulovo-Lencovo)
Přímý odporový ohřev Pokud je součást, kterou potřebuji zahřát z vodivého materiálu s dostatečným odporem je možné ji přímo zapojit do obvodu (obr. 8.).
= I ohřívané těleso
Obr. 8. Přímý odporový ohřev
R Podmínky: ohřívané těleso musí mít velkou rezistivitu ρ (Ω.m) přívodní vodiče musí mít co nejmenší odpor (jinak se budou zahřívat taky) zdroj musí být schopen dodat velký proud
Nepřímý odporový ohřev Je-li materiál nevodivý nebo je-li jeho činný odpor velmi malý je nutné použit nepřímý odporový ohřev a využít proudění tepla (obr. 9). Teplo vzniká v topných rezistorech.
=
ohřívané těleso R
I R Obr. 9. Nepřímý odporový ohřev
Na materiály používané pro výrobu topných rezistorů máme tyto požadavky: • velká rezistivita ρ (Ω.m) • malý teplotní součinitel odporu α (K-1) • vysoký bod tavení • odolnost proti oxidaci • dobrá zpracovatelnost
8
Nejpoužívanější materiály pro výrobu topných rezistorů: - do 350oC – slitiny Cu-Ni (nikelin, konstantan) - do 800oC – chrómová litina, křemíková litina - do 1350oC – slitina: Fe-Cr-Mn, Fe-Cr-Al (kanthal, chromal), Fe-Cr-Co - nad 1350oC – kovy: Pt, Mo, W
Použití: v domácnosti žehličky, elektrické sporáky, rychlovazné konvice, fény, atd. v průmyslu odporové pece Odporové pece Oporové pece se používají k: - sušení vinutí elektrických strojů a celých elektrických strojů (asi do teploty 250oC) - tepelnému zpracování kovů, např. žíhání, kalení, popouštění (asi do teploty 1050oC) - tavení kovů s nižším bodem tání - smaltování - sterilizace ve zdravotnictví
Odporové svařování Podle technologie se odporové svařování dělí na: -
-
bodové - spoj se vytvoří ve formě svarových čoček mezi přeplátovanými částmi švové - spoj se vytvoří kotoučovými měděnými elektrodami v tvaru souvislého svaru mezi přeplátovanými částmi. bradavkové - spoje se vytvářejí na několika místech styku, kde jsou vytlačeny výstupky (bradavky). Obě svařovací části se na sebe přitlačí plochými elektrodami a průchodem proudu se výstupky přivaří na spodní hladkou část. stykové - svařované díly jsou přitlačeny na styčných plochách dvěma páry svěrákových elektrod a svářejí se v celé styčné ploše.
Obloukový ohřev Oblouk napájíme střídavým nebo stejnoměrným proudem. Proud přitom prochází plyny, které jsou za normálních podmínek elektricky nevodivé. Teprve po ionizaci prostředí, např. vlivem vysoké teploty, se stanou vodivými. Teplota dosahuje až několik tisíc kelvinů. Plyny jsou při takové teplotě vysoce vodivé - nazýváme je plazmou. Podle způsobu hoření oblouku lze pece rozdělit na: -
pece s přímým vytápěním - oblouk v nich hoří mezi elektrodou a taveninou (obr. 10 a), b)) pece s nepřímým vytápěním - teplo se v nich přenáší do vsázky nepřímo - sáláním (obr. 10 c)) pece se zakrytým obloukem - oblouk hoří pod vrstvou vsázky („topení pod kotlem“)
9
Obr. 10. Obloukové pece
Obloukové svařování Při obloukovém svařování se spojují dvě části k sobě tak, že v místě spojení splynou obě místně roztavené části aniž přitom působí tlak nebo ráz. Oblouk při svařování se napájí stejnosměrným nebo střídavým proudem. Z hlediska technologie se obloukové svařování dělí: - Svařování uhlíkovou elektrodou - kladný pól se připojí n svařovaný předmět a záporný na elektrodu. Obloukem se taví základní materiál nebo přídavný drát. - Svařování tavící elektrodou - kovová elektroda vnáší do svaru přídavný kov - Svařování v ochranném plynu - svařované místo se chrání před vlivem prostředí netečným plynem. Oblouková svářečka má mít tyto vlastnosti: - dobré svařovací vlastnosti - snadné zapálení svařovacího oblouku, stabilní hoření. Napětí na prázdno se u stejnosměrných i střídavých svářeček pohybuje mezi 80 až 100V. Svařovací transformátory mají napětí o něco vyšší. - plynulé nebo alespoň jemné řízení proudu - svářečka musí mít zařízení pro nastavení svařovacího proudu nebo napětí. velkou účinnost při svařování a malé ztráty při chodu naprázdno - dobrý účiník - pokud svářečka pracuje s malým účiníkem, musí být vybavena kompenzací
Druhy obloukových svářeček -
svařovací dynamo svařovací alternátor -
svařovací transformátor - výstupní napětí klesá se vzrůstem svařovacího proudu. Velikost svařovacího proudu se nastavuje změnou počtu závitů, posouváním vinutí, tlumivkou nebo magnetickým bočníkem (obr. 25).
-
svařovací usměrňovač - usměrňovač usměrňující jednofázovou nebo trojfázovou soustavu na stejnosměrný proud. Nastavení svařovacích proudů je plynulé nebo stupňovité.
Obr. 11. Zapojení svařovacích transformátoru
10
Indukční ohřev Pece, založené na ohřevu indukovanými proudy dělíme podle použitého kmitočtu na: -
nízkofrekvenční pece - kmitočet je 50Hz, pec má železné jádro. V podstatě jde o transformátor se závitem nakrátko. Závit nakrátko je proveden jako kanálek nebo žlábek ze šamotu, proudy se indukují do vsázky. Ohřev je od Joulova tepla. Provedení viz obr. 12. a). Pece se používají k tavení neželezných kovů s licí teplotou pod 1450 oC, ale i k tavení litiny a ocele. Z těchto pecí se nevylévá všechen kov, ale nechává se v nich tekutý závit nakrátko, tzv. hnízdo. Tavenina se dobře mísí vlivem tepavého elektromagnetického pole.
Obr. 12. Indukční ohřev
-
středofrekvenční pece - kmitočet je 500 až 3000 Hz, pec je bez železného jádra, kelímková. Provedení viz obr. 12. b). Vsázkou jsou železné i neželezné kovy. Vsázka se ohřívá vířivými proudy a u železné vsázky navíc ještě hysterezními ztrátami. Kelímková pec se používá i pro nízký kmitočet. Zvláštním provedením je pec se železným kelímkem, u které se teplo vyvíjí ve stěně kelímku. Používá se k tavení hořčíku. Účiník pece je velmi malý.
-
vysokofrekvenční ohřev - kmitočet je až 500 000 Hz. Princip ohřevu je na obr. 12. c). Hustota proudů indukovaných do vloženého kovového předmětu ubývá se vzdáleností od povrchu. Pro tavící účely se volí nižší kmitočet, pro povrchové kalení vyšší kmitočet.
Dielektrický ohřev Nekovy jsou vloženy do elektrického vysokofrekvenčního pole. Rychlým přepolarizováním částic ohřívané látky vznikají ztráty (dielektrické), které se mění v teplo. Velikost ztrát závisí na intenzitě elektrického pole, na kmitočtu, permitivitě ohřívané látky a ztrátovému úhlu dielektrika. Používaný kmitočet je 1MHz až 100MHz. Na principu dielektrického ohřevu funguje i mikrovlnný ohřev. Ohřev potravin v mikrovlnné troubě je způsoben zrychlením tepelného pohybu molekul potravin vlivem elektromagnetického záření. Mikrovlnná oblast je 300 MHz až 30 GHz. V mikrovlnných troubách se používá záření 2450 MHz, tj. vlny o vlnové délce 12,2 cm. Mikrovlny procházejí plasty a sklem a odrážejí se od kovů, proto nelze pokrmy ohřívat a vařit v kovovém nádobí nebo hliníkové fólii.
Použití: v domácnosti k ohřívání a rozmražování v potravinářství a ve zdravotnictví k sterilizaci a pasterizaci v průmyslu k rozmražování a ohřevu materiálu se špatnou tepelnou vodivostí (gumy)
11
Infračervený ohřev Zdrojem infračerveného záření jsou infrazářiče. Vyzařují paprsky s vlnovou délkou 750 až 10 000 nm. Infračervené záření proniká do hloubky a rychle prohřívá látku. Příkladem infrazářiče je podžhavená žárovka.
Elektrické vytápění Úkolem je připravit tepelnou pohodu pro pobyt lidí ve vytápěných prostorách. Jde o zachování tepelné rovnováhy mezi teplem, které člověk produkuje a teplem, které odevzdává do okolí. Teplo, které člověk produkuje při různé činnosti ve (W) ukazuje následující tabulka: Spánek Duševní práce Chůze Fyzická práce lehká Fyzická práce těžká
90 120 180 140 250
K dosažení tepelné pohody při určité produkci tepla a při vhodném oblečení potřebujeme určitou teplotu okolí. Produkujeli člověk více tepla, než stačí odevzdat do okolí, je přehřát – potí se. Produkuje-li méně tepla, je mu chladno.
Druhy elektrického vytápění Nejčastější způsob elektrického vytápění místností je Joulovým teplem. Vytápění je přímé a nepřímé. O přímé vytápění jde u přímotopných spotřebičů: holé odporové vodiče (elektrické kamínka), radiátory (plněné vodou nebo olejem a vyhřívané topným článkem), topné plášťové vodiče do omítek a podlah, teplomety s parabolickým reflektorem, topné ventilátory (topný rezistor s ventilátorem). U nepřímého vtápění se topnými články zahřívá keramické jádro a teplo se v něm akumuluje, aby se později předalo do místnosti. Jádro se ohřívá v nočních hodinách až na teplotu 650 °C a ve dne se teplo předává do místnosti a to buď samovolně (statická kamna) nebo se jádrem prohání pomocí ventilátoru vzduch, jehož ohříváním se teplo z jádra předává do místnosti (dynamická kamna). Akumulační keramické jádro dynamických kamen je obloženo vrstvami izolujícího materiálu, který ve značné míře zamezí samovolnému unikání tepla. K nepřímému vytápění ještě patří akumulace do vody. Topné radiátory jsou vytápěny vodou z akumulačních elektrických ohřívačů. Překročí-li teplota v horních vrstvách ohřívače nastaveno teplotu, zapíná termostat A čerpadlo 2 a zespodu se čerpá studená voda. Klesne-li teplota v horních vrstvách pod nastavenou teplotu, vypíná termostat A čerpadlo 2. Spodní termostat B zapíná a vypíná topný článek 1.
12
Tepelné čerpadlo Pomocí tepelného čerpadla je možno odebírat teplo z okolí (vzduchu, vody nebo země) a předávat je do domu formou vytápění místností nebo např. bazénu. Principem je tedy přečerpávání tepla. Zdrojem tepla je médium s nízkou teplotou, podmínku je, aby ho bylo dost. Praktickým příkladem je zimní stadion a bazén v Brně. Teplo se přečerpává z budovy stadiónu do prostor krytého bazénu. Tepelné čerpadlo přenáší tepelnou energii z prostředí s nižší teplotou do prostředí s vyšší teplotou. V uzavřeném okruhu obíhá teplonosná látka. Tato látka se nejprve v plynném stavu stlačuje v kompresoru. Stlačením se její teplota zvýší nad teplotu ve vytápěné místnosti. Potom kompresor vytlačí látku do kondenzátoru. Kondenzátor je soustava trubek s žebry. Páry teplonosné látky se v kondenzátoru ochlazují a zkapalňují – teplo se předává do okolí. Jako médium se používá látka, která zkapalňuje mezi 30 až 40oC. Látka potom postupuje přes redukční ventil do prostoru výparníku. Za redukčním ventilem látka expanduje a tím se ochlazuje na nízkou teplotu.
Obr. 13. Princip tepelného čerpadla
Ve výparníku se látka opět zahřívá a postupuje do kompresoru a okruh je uzavřen. Jako teplonosná látka se používá čpavek, freon, ledon. Čpavek – teplota varu při 3.105 Pa je –10oC a při atmosférickém tlaku 105 Pa dokonce je –30oC. Výhodou je, že v letních měsících je možné zaměnit funkci výparníku a kondenzátoru a tak převést otopnou soustavu na chladící.
13
Světlo a osvětlovací technika Ing. Tomáš Kostka, Ing. Pavel Chmiel, Ph.D.
Základní pojmy Světlo je elektromagnetické vlnění z určité částí elektromagnetického spektra, které je pro lidské oko viditelné. Jedná se o vlnový rozsah přibližně 380nm – 780nm. Každé vlnové délce z tohoto rozsahu odpovídá světlo určité barvy.
Předměty, na které dopadá světlo, se jeví v barvě světla, které odrážejí. Například červené těleso odráží červené světlo a ostatní části barevného spektra pohlcuje. Barva tělesa může být viditelná jen při osvětlení zdrojem, který má tuto barvu ve svém spektru. Červený předmět se tedy nemůže jevit jako červený, je-li osvětlen světlem, které červenou složku neobsahuje (např. monochromatické sodíkové výbojky). Jelikož teorie světla jako elektromagnetického záření o určité vlnové délce nedokáže popsat veškeré fyzikální jevy se světlem spojené, můžeme na světlo nahlížet také jako na proud částic, které nazýváme fotony. Světelný zdroj je těleso, které vyzařuje světelné záření. Rozeznáváme zdroje přirozeného světla (např. slunce, hvězdy) a zdroje umělého světla (svíčka, žárovka, zářivka, LED dioda, atd.).
Fotometrie Základní fotometrické veličiny: 1. svítivost – Označení I, jednotkou je kandela (cd) 2. světelný tok – celkový světelný výkon vyzářený zdrojem světla. Označení Φ, jednotkou je lumen (lm) 3. Měrný světelný výkon – poměr světelného toku a elektrického příkonu (udává Φ efektivnost světelného zdroje). Označuje se η a jednotkou je (lm.W-1) η = P
14
4. Osvětlení – Poměr světelného toku a plochy, na kterou dopadá. Označuje se Φ E a jednotkou je lux (lx) E = . Pro různé prostory jsou doporučovány S minimální hodnoty osvětlení, zaručující dobré podmínky viditelnosti.
15
Světelné zdroje Přírodní zdroje K přírodním zdrojům patří například: •
Kosmická tělesa - Slunce, hvězdy, Měsíc (zdroj sekundární)
•
Chemické reakce - oheň
•
Biologické zdroje - světlušky, různí mořští živočichové
•
Elektrické výboje - blesk, Eliášův oheň
•
Tektonické jevy - žhnoucí láva
Umělé zdroje Nejznámnější a nejrozšířenější umělé zdroje světla se rozdělují podle dalších hledisek. Jedno z nich je podstata vzniku světla. Rozeznáváme zdroje na principu teplotního záření (např. žárovky), záření elektrického výboje v plynech a parách kovů (zářivky, výbojky) a nebo luminiscence (např. svítivé diody). Mezi hlavní parametry, jenž se sledují u umělých světelných zdrojů patří: život světelného zdroje (udávaný v hodinách), hodnota světelného toku a jeho spektrální složení, svítivost a její prostorové rozložení, jas, teplota chromatičnosti a index podání barev. U umělých světelných zdrojů, jejichž činnost závisí na elektrické energii, pak také příkon, napětí, proud a především měrný výkon, což je podíl vyzařovaného světelného toku a příkonu (vyjadřuje se tedy v lm/W). Měrný výkon charakterizuje efektivnost přeměny energie elektrické na světelnou.
Umělé světelné zdroje
teplotní
žárovky halogenové žárovky
výbojové
nízkotlaké
rtuťové (zářivky) indukční sodíkové
vysokotlaké
rtuťové halogenidové sodíkové xenonové
16
Žárovka Žárovka je světelný zdroj, ve kterém vzniká světelné záření tepelným buzením při zahřátí vlákna na vysokou teplotu. Vlákna dnešních žárovek jsou z wolframu, jehož teplota tání je kolem 3925 °C. Žárovky jsou buď vakuové, nebo plněné směsí vzácných plynů pro snížení odpařování wolframu. Standardní vakuové žárovky na 230 V se vyrábějí pro výkon od 15 W do 1000 W. Jsou jednoduché a dosahují plného výkonu ihned po zapnutí. Pouze 6% elektrického příkonu se přemění ve světelný výkon. Životnost žárovky je kolem 1000 hodin. Životnost se výrazně zkracuje při přepětí a častém spínání. Halogenová žárovka Náplní těchto žárovek bývají páry halogenů (Cl, Br, F, I) pod nízkým tlakem. Tím se dosáhne dvojnásobné životnosti oproti klasické žárovce a zároveň žhavení wolframového vlákna na vyšší teplotu. Světlo je bělejší. Nízkovoltové halogenové žárovky bývají na 6 V, 12 V a 24 V. V autě jsou napájeny z akumulátoru a v budovách z transformátoru. Výbojky plněné plynem Ve výbojkách vzniká při elektrickém výboji mezi elektrodami v prostředí plynu nebo par kovu elektromagnetické záření ve viditelné nebo ultrafialové části spektra. Výboj v plynu nastává při průchodu elektrického proudu plynem. Skleněná nebo křemenná trubice s elektrodami na konci je naplněna plynem nebo parami kovu. Při přivedení dostatečného elektrického napětí na elektrody se vlivem elektrického pole začnou pohybovat volné elektrony od katody k anodě. Plyn se stává vodivý.
17
Zářivky Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky, v nichž se ultrafialové záření výboje mění vrstvou luminoforu na světlo. Typická zářivka se skládá ze skleněné trubice, jejíž vnitřní povrch je pokryt právě vrstvou luminoforu. Zářivky se vyrábějí buď jako trubicové (obr. vlevo) nebo jako kompaktní zářivková svítidla (obr. vpravo).
Trubicové zářivky se vyrábějí v několika standardních velikostech podle výkonu. Vyrábějí se obvykle v rozsahu 18 až 58 W. Zářivka přemění asi 21% příkonu na světelný výkon, zbytek jsou tepelné ztráty. Zářivky mají dlouhou životnost 8000 až 12000 hodin při četnosti spínání cca 8 krát za 24 hodin. Kompaktní zářivková svítidla jsou malá svítidla se šroubovací žárovkovou paticí. V porovnání se žárovkami mají při srovnatelném výkonu až 5 krát menší spotřebu a až 8 krát větší životnost. Svítidla se navíc nepřehřívají.
Předřadné obvody zářivek Zářivky potřebují zapalovací obvody a obvody pro omezení provozního proudu.
18
Nejběžnější zapojení zářivky je na obrázku. Doutnavý zapalovač (startér) se skládá za dvou bimetalových elektrod, uzavřených ve skleněné baňce plněné inertním plynem. Po zapnutí je na tyto elektrody přivedeno plné síťové napětí 230 V. Protože jsou elektrody blízko sebe, dojde mezi nimi k doutnavému výboji. Tím se bimetalové elektrody zahřejí a ohnou se tak, že se vzájemně dotknou. Proud tedy prochází pře cívku (tlumivku), elektrodami zářivky, které žhaví a přes startér. Elektrody zapalovače se po chvilce ochladí a bimetalový kontakt se rozpojí. Rozpojíme-li obvod s cívkou vyrobíme přepěťovou špičku asi 1000 V. Toto napětí stačí k zapálení oblouku mezi elektrodami zářivky. Cívka svou reaktancí omezuje proud do zářivky - proto jí nazýváme tlumivka.
Vysokotlaké výbojky Vysokotlaké rtuťové výbojky jsou výbojky, v nichž mají rtuťové páry tlak 105 Pa. Světlo vzniká jednak ve rtuťových parách křemenného hořáku, jednak v luminoforu vnější baňky, přeměnou ultrafialového záření. Výbojka naběhne na plný výkon po 3 až 5 minutách po zapnutí. Životnost bývá více než 8000 hodin. Vysokotlaké rtuťové výbojky se používají k osvětlování velkých výrobních a sportovních hal. Halogenidové výbojky jsou vysokotlaké rtuťové výbojky, jejichž světlo vzniká jednak zářením par rtuti, jednak zářením produktů štěpení halogenidů. Tím dosáhneme většího světelného výkonu. Náběh na plný výkon trvá 3 až 8 minut, chladnutí asi 5 minut. Nové zapálení je možné až po vychladnutí výbojky. Výbojky mají často výrobcem doporučenou polohu, jsou dražší a mají kratší životnost než vysokotlaké rtuťové výbojky. Sodíkové výbojky se odlišují od výbojek rtuťových, neboť sodík má daleko nižší tlak par. Sodíkové výbojky známe nízkotlaké a vysokotlaké. Nízkotlaké jednopaticové výbojky se vyrábějí s výkony 18 – 180 W. Náběh trvá 8 – 15 minut, vychladnutí 5 – 10 minut. Musí být provozovány ve vodorovné poloze. Vzhledem k tomu že vydávají žluté až oranžové světlo, používají se k osvětlení silnic, železnic a přístavů. Vysokotlaké sodíkové výbojky mají širší barevné spektrum než žlutá nízkotlaká výbojka, ale mají nižší světelný výkon. Vyrábějí se s výkony 50 – 1000 W. K zapálení potřebují napěťový impulz až 2 kV. Výhodou jsou malé rozměry při velkém výkonu, dobré podání barev a velká životnost přes 8000 hodin. Používají se k osvětlení velkých prostor.
19
Světelné trubice Světelné trubice jsou plynem plněné výbojky s zapalovacím i provozním napětím 1 – 10 kV. Světelné trubice mají dlouhou životnost, ale malý světelný výkon. Z těchto důvodů se nepoužívají k osvětlování, ale nejčastěji se využívají k světelným reklamám. Barva trubice závisí na plynové náplni a na luminoforu. Např. neon vytvoří modrou barvu. Dále je možné plnit argonem. V kombinaci s barevnými skly trubic je možno dosáhnout všech barev. Vysoké napětí je zajištěno jednofázovými transformátory. Vzhledem k vysokému provoznímu napětí je nutné dbát na zvýšenou bezpečnost. Elektrické přívody k zařízení se světelnými trubicemi mohou stěnami budovy procházet jen ochrannými průchodkami. Všechny neživé části je nutné zemnit. Maximální povolené napětí na výstupu transformátoru je 10 kV. Napětí proti zemi nesmí překročit 5 kV.
Požadavky na dobré osvětlení Na světelné zdroje a svítidla klademe tyto požadavky: • • • • •
dobrá úroveň osvětlení vhodná teplota chromatičnosti (umělé světlo by mělo být podobné dennímu) příjemné barevné klima malé oslnění vhodný směr světla a stínění
Úrovní osvětlení je myšleno osvětlení pracovní plochy a předmětů, které člověk při své činnosti pozoruje. Osvětlení se udává v luxech – lx. Ideální úroveň osvětlení dává světlo oblohy za jasného slunečného dne (10 000 lx). Přímé osvětlení sluncem (100 000 lx) unavuje zrak stejně jako osvětlení pod 500 lx. Dobrá stolní lampa má ve vzdálenosti 40 cm od zdroje světla osvětlení 1000 až 3000 lx. Osvětlení musí být rovnoměrné. Rozdíly v kontrastu unavují a „kazí“ zrak. Z tohoto důvodu není vhodné světlo bodové. Obdobně se nedoporučuje dívat se televizi či monitor, je-li v místnosti tma.
20
Barevné klima osvětleného prostoru se vytváří barvami stěn, stropu, podlahy a nábytku. Při relaxaci se volí teplejší tóny (větší podíl žluté) a pro laboratorní práci spíše tóny studené (s větším podílem modré). K oslnění může dojít, nachází-li se v zorném poli příliš jasná plocha zdroje světla nebo lesklá plocha reflektující světlo zdroje. Oslnění bráníme jednak vhodným umístěním světelných zdrojů mimo zorný úhel, tedy bočně. Oslnění je velmi nebezpečné při řízení motorových vozidel. Oslnění řidiče sluncem, pouliční lampou nebo protijedoucím vozem může skončit dopravní nehodou.
Za přirozené osvětlení pro píšícího praváka je považováno světlo zleva svrchu přicházející z plošného zdroje, který netvoří rušivý stín a neoslňuje.
Učební materiál určený studentům SŠ Havířov - slouží pouze pro vnitřní potřebu školy. Neprodejné. Použitá literatura a obrázky: Voženílek, Lstibůrek: Základy elektrotechniky II; Pláteník, Brutovský: Využití elektrické energie; Tkotz K.: Příručka pro elektrotechnika;Chlup, Keszegh: Elektronika pro silnoproudé obory. Verze 2/2004, zpracoval: Ing. Tomáš Kostka, spolupracovali: Chmiel, Navrátil.
21
