FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKA NÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ U ENÍ TECHNICKÉ V BRN. Sv telná technika. Auto i textu: doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D.

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKANÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN Svtelná technika Autoi textu: doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D. Kvten 2013 epowerinovacevýukyelektroenergetikysilnoproudéelektrotechnikyformoue-learningu rozšíenípraktickyorientovanévýuky OPVKCZ.1.07/2.2.00/

2 Obsah 1 ÚVOD DO SVTELNÉ TECHNIKY. ZÁKLADNÍ POJMY A JEDNOTKY SVTELNÉ TECHNIKY VŠEOBECNÝ ÚVOD ZÁKLADNÍ POJMY A VELIINY SVTELNÉ TECHNIKY Svtelný tok Prostorový úhel Svítivost Osvtlenost Jas Svtlení SHRNUTÍ KAPITOLY EŠENÉ PÍKLADY KONTROLNÍ OTÁZKY NEŠENÉ PÍKLADY OKO A JEHO ZÁKLADNÍ FUNKCE, TYINKY A ÍPKY, ZRAKOVÝ VÝKON A ZRAKOVÁ POHODA, OSLNNÍ ANATOMICKÁ STRUKTURA ZRAKU MEZNÍ STAVY ZRAKU Rozlišovací schopnost Frekvence splývání OSLNNÍ SHRNUTÍ KAPITOLY EŠENÉ PÍKLADY KONTROLNÍ OTÁZKY NEŠENÉ PÍKLADY BAREVNÉ VLASTNOSTI SVTLA ZÁKLADNÍ POJMY ZÁKONY MÍSENÍ BAREV TRICHROMATICKÉ SOUADNICOVÉ SYSTÉMY Souadnicový systém XYZ Další trichromatické systémy Index podání barev Teplota chromatinosti NORMALIZOVANÁ SVTLA SHRNUTÍ KAPITOLY EŠENÉ PÍKLADY KONTROLNÍ OTÁZKY NEŠENÉ PÍKLADY ZÁKLADNÍ PRINCIPY VZNIKU SVTLA. ELEKTRICKÉ ZDROJE SVTLA PRINCIP VZNIKU SVTLA DRUHY ELEKTRICKÝCH SVTELNÝCH ZDROJ POŽADAVKY NA SVTELNÉ ZDROJE A JEJICH VLASTNOSTI SHRNUTÍ KAPITOLY KONTROLNÍ OTÁZKY TEPLOTNÍ ZDROJE SVTLA... 39

3 Svtelná technika KLASICKÉ ŽÁROVKY Konstrukce žárovky HALOGENOVÉ ŽÁROVKY SHRNUTÍ KAPITOLY KONTROLNÍ OTÁZKY VÝBOJOVÉ ZDROJE SVTLA NÍZKOTLAKÉ VÝBOJKY Záivky Kompaktní záivky Nízkotlaké sodíkové výbojky VYSOKOTLAKÉ VÝBOJKY Vysokotlaké sodíkové výbojky Rtuové výbojky Halogenidové výbojky SHRNUTÍ KAPITOLY KONTROLNÍ OTÁZKY LUMINISCENNÍ A OSTATNÍ ZDROJE SVTLA LED INDUKNÍ VÝBOJKY SIRNÉ VÝBOJKY VÝBOJKY S KRÁTKÝM OBLOUKEM Startování výbojek Xenonové výbojky SHRNUTÍ KAPITOLY KONTROLNÍ OTÁZKY DODATKY VÝSLEDKY PÍKLAD, ODPOVDI NA KONTROLNÍ OTÁZKY A VÝSLEDKY TEST Vstupní test Kapitola Kapitola Kapitola Kapitola Kapitola Kapitola Kapitola Kapitola

4 Seznam obrázk OBR. 3.1 KIVKA POMRNÉ SPEKTRÁLNÍ CITLIVOSTI OKA NORMÁLNÍHO FOTOMETRICKÉHO POZOROVATELE... 9 OBR. 3.2 PROSTOROVÝ ÚHEL V POLÁRNÍCH SOUADNICÍCH A OBR. 3.3 PROSTOROVÝ ÚHEL KULOVÉHO VRCHLÍKU A KULOVÉHO PÁSU OBR GEOMETRIE V OSVTLOVANÉM PROSTORU OBR. 4.1 STAVBA OKA OBR. 4.2 OBLAST OPTIMÁLNÍHO A JEŠT PIJATELNÉHO JASU POZOROVANÉHO OBJEKTU V ZÁVISLOSTI NA JASU POZADÍ OBR. 5.1 ZSOBY MÍCHÁNÍ BAREV A) ADITIVNÍ, B) SUBTRAKTIVNÍ OBR. 5.2 DOPLKOVÉ BARVY OBR. 5.3 TRICHROMATICKÝ SOUADNICOVÝ SYSTÉM OBR. 5.4 PH TRICHROMATICKÝCH LENITEL X, Y, Z OBR. 5.5 K VÝPOTU TRICHROMATICKÝCH SOUADNIC OBR. 5.6 TRICHROMATICKÝ TROJÚHELNÍK CIE 1931 SE ZAKRESLENOU ÁROU TEPLOTNÍCH ZDROJ OBR. 5.7 SPEKTRÁLNÍ ROZLOŽENÍ ENERGIE NORMALIZOVANÝCH DRUH SVTLE A,B,C A E 32 OBR. 5.8 SPEKTRÁLNÍ ROZLOŽENÍ ENERGIE NORMALIZOVANÝCH DRUH SVTEL D OBR. 6.1 ZÁKLADNÍ ROZDLENÍ ELEKTRICKÝCH SVTELNÝCH ZDROJ OBR. 6.2 MRNÉ VÝKONY TYPICKÝCH ZDROJ SVTLA V SOUASNÉ DOB OBR. 7.1 ŽÁROVKA A JEJÍ KONSTRUKNÍ ÁSTI OBR. 7.2 DETAIL WOLFRAMOVÉHO DVOJIT VINUTÉHO VLÁKNA S ECHODEM ÍVODNÍHO DRÁTU A PODPRNÝM HÁKEM OBR. 7.3 HALOGENOVÝ REGENERANÍ CYKLUS OBR. 7.4 HALOGENOVÉ JEDNOSTISKOVÉ ŽÁROVKY A ŽÁROVKA S DICHROICKÝM REFLEKTOREM OBR. 7.5 HALOGENOVÁ ŽÁROVKA DVOUSTISKOVÁ OBR. 8.1 ELEKTRODOVÝ PROSTOR ZÁIVKOVÉ TRUBICE OBR. 8.2 STARTÉRY PRO ZÁIVKY KLASICKÝ DOUTNAVKOVÝ STARTÉR A ELEKTRONICKÝ STARTÉR 45 OBR. 8.3 KLASICKÉ ZAPOJENÍ LINEÁRNÍ ZÁIVKY S INDUKNÍM PEDADNÍKEM A DOUTNAVKOVÝM STARTÉREM OBR. 8.4 KOMPAKTNÍ ZÁIVKY JEDNOTRUBICOVÁ, TÍTRUBICOVÁ OBR. 8.5 KOMPAKTNÍ ZÁIVKA S VESTAVNÝM INDUKNÍM PEDADNÍKEM OBR. 8.6 ELEKTRONICKÉ PEDADNÍKY OBR. 8.7 KOMPAKTNÍ ZÁIVKY S ELEKTRONICKÝM PEDADNÍKEM OBR. 8.8 NÍZKOTLAKÁ SODÍKOVÁ VÝBOJKA OBR. 8.9 VYSOKOTLAKÁ SODÍKOVÁ VÝBOJKA OBR ZNA SPEKTRA SODÍKOVÉ VÝBOJKY PI ZM TLAKU VE VÝBOJOVÉM PROSTORU OBR SPEKTRUM VYSOKOTLAKÉ SODÍKOVÉ VÝBOJKY SON S VYŠŠÍM INDEXEM PODÁNÍ BAREV 50 OBR ZAPOJENÍ VYSOKOTLAKÉ SODÍKOVÉ VÝBOJKY OBR VYSOKOTLAKÁ RTUOVÁ VÝBOJKA OBR SSOVÁ VÝBOJKA OBR HALOGENIDOVÁ VÝBOJKA OBR HÁKY HALOGENIDOVÝCH VÝBOJEK (VPRAVO S OCHRANOU PROTI ROZTÍŠTNÍ VÝBOJKY V ÍPAD PRASKNUTÍ HOÁKU)... 53

5 Svtelná technika 5 OBR. 9.1 SPEKTRUM LED S LUMINOFOREM OBR. 9.2 BEZELEKTRODOVÁ INDUKNÍ VÝBOJKA A ZÁVISLOST SVTELNÉHO TOKU NA ŽIVOT. 56 OBR. 9.3 BEZELEKTRODOVÁ ZÁIVKA OSRAM ENDURA A SPEKTRUM GENEROVANÉHO SVTLA (3000K) OBR. 9.4 IDEOVÉ SCHÉMA USPOÁDÁNÍ SIRNÉ VÝBOJKY... 58

6 Seznam tabulek TAB. 3.1 HODNOTY POMRNÉ SPEKTRÁLNÍ ÚINNOSTI OPTICKÉ ZÁENÍ (ZAOKROUHLENO) 8 TAB. 4.1 KOEFICIENTY PRO VÝPOET INITELE OSLNNÍ DLE VZTAHU ( 4.3 ) TAB. 4.2 MEZNÍ HODNOTY INDEXU OSLNNÍ RZNÉ DRUHY INNOSTÍ TAB. 7.1 VLASTNOSTI WOLFRAMU TAB. 9.1 VLASTNOSTI LED... 55

7 Svtelná technika 7 1 Úvod do svtelné techniky. Základní pojmy a jednotky svtelné techniky Cíle kapitoly: Seznámení se základy svtelné techniky, funkce a princip osvtlování, definice základních fotometrických veliin, jejich jednotek a vzájemných vztah mezi nimi. 1.1 Všeobecný úvod Svtelná technika dnes neodmysliteln patí k lidskému životu moderní civilizované spolenosti. Vytváí podmínky pro vhodné pracovní prostedí v místech a ase, kdy není možné zajistit potebné intenzity osvtlení z pírodních zdroj. Za zmínku stojí, že svtelná technika stála u zrodu nejen elektroenergetiky ale i plynárenství, nebo první mstské plynárny a pozdji i elektrárny byly budovány hlavn z dvodu zavádní veejného osvtlení do velkých mst. Svtelná technika tak odstartovala prakticky celou novodobou prmyslovou revoluci, nebo umožnila vícesmnný provoz, umožnila práci v prostorách bez denního svtla, ímž se následn zvýšila celková produkce prmyslu. Dala popud k vývoji nových technologií v ad oblastí, energetiku nevyjímaje. Pestože dnes elektrická energie vyrábná pro úely osvtlování již dávno nepatí k dominantním podílm, nelze ji zanedbat a je vhodné t jak elektrickou energii efektivn na svtlo pemnit a úeln využít. Dále je nutné si uvdomit, k emu má svtelná technika do budoucna smovat. Cílem je zejména vytváení takových svtelných zdroj, jejichž úinnost pemny elektrické energie na svtelnou bude maximální pi souasném kvalitativním složení svtla. V dnešní dob již totiž dokážeme vyrábt svtlo s úinností tém 30 %, ovšem s velice špatnou jakostí takto vyrobeného svtla. Výroba svtla má své teoretické hranice a vývoj smuje k jejich dosažení. Vznikají stále nové a dokonalejší zdroje, a starší typy se neustále vylepšují a zdokonalují. Další ástí svtelné techniky je výroba svítidel a konstrukce celých osvtlovacích soustav v kontextu s moderními vysoce kvalitními materiály a inteligentními ídícími systémy. Svtelná technika tak tvoí celek pokrývající široké spektrum odborných inností od technologie výroby, materiálového inženýrství, strojírenství, optickou fyziku, fotometrii, elektrotechniku, energetiku, mikroelektroniku až po informaní technologie, micí a ídící systémy. Nad tímto vším však nesmíme zapomenout na lidský initel, pro který svtelná technika vzniká a jenž je tím, který kvalitu svtelné techniky ve výsledku posoudí. Jelikož je dnes již obecn známo, že lovk pijímá zrakem více než 90 % všech informací z okolního svta, pak svtelná technika je nejvýznamnjším klíem k tmto informacím. Bez její existence si dnešní informaní spolenost již nelze reáln pedstavit. ležitost tohoto oboru je tedy neoddiskutovatelná a snaha o jeho rozvoj by mla být podporována ve všech oblastech, energetiku nevyjímaje. 1.2 Základní pojmy a veliiny svtelné techniky Svtlem nazýváme tu ást elektromagnetického záení, která je detekovatelná lidským zrakem. Oko, jako idlo zraku, je schopné toto elektromagnetické záení zachytit vetn jeho prostorového rozložení a áste i spektrálního složení, pemž výsledkem kompletní analýzy pijatého signálu je zrakový vjem. Aby však mohl vjem vzniknout, musí existovat zdroj svtla, který do prostoru svtlo vyzauje. Po dopadu na osvtlované plochy se ást svtla pohltí, ást odrazí a ást mže materiálem procházet. Pro zrak je dležitá ta ást, která po odrazu (nebo i prostupu) putuje smrem k oku, prochází jeho ástmi a dopadne na svtlocitlivé buky sítnice, kde vyvolá patnou fotochemickou reakci. Jak bude reakce silná,

8 uruje nejen absolutní množství energie, ale také její spektrální složení. íkáme, že oko má svoji spektrální citlivost, resp. hovoíme o svtelné úinnosti optického záení, tj. jak významný je podíl jednotlivých vlnových délek záení pi vzniku zrakového vjemu. Je dležité si uvdomit rozdíl mezi fyzikáln mitelnou záivou energií, která má svj tepelný nebo mechanický ekvivalent energie a energií svtelnou, jejíž ekvivalent odpovídá uritému zrakovému vjemu ve smyslu vnímané jasnosti svtla. Bylo nutné stanovit uritým edpisem normativní chování oka normálního fotometrického pozorovatele jako uritý standard fyzikálního pijímae svtla. Rozdíl mezi normou a skuteností je v tom, že oko reálného pozorovatele se mže od tohoto normálu i významn lišit, což mže zpsobovat rozpory v interpretaci množství, barvy i kvality svtla u rzných pozorovatel. Zatímco záivá energie (resp. výkon) se udává a mí ve wattech, stejn jako každý jiný výkon, svtelná energie (svtelný výkon) se udává a mí v lumenech (lm). Lumen je tedy základní jednotkou svtelné techniky a vyjaduje výkon svtelného zdroje v ekvivalentu, který je možné psychosenzoricky vyhodnotit lidským zrakem. Z hlediska velikosti mžeme 1 lumen definovat jako 1/683 W monochromatického záení s frekvencí Hz, což je frekvence, pro kterou má oko normálního fotometrického pozorovatele stanovenu nejvyšší innost optického záení rovnu 100 %. Díky rznorodosti populace je pochopitelné, že rzní jedinci mají spektrální citlivost znou. Pro každého z nás mže být tedy svtlem nco jiného. Nkdo bude vidt záení s vlnovou délkou 380 nm a pro nkoho možnost vidt sahá pouze k hranici 450 nm. Aby bylo svtlo a výpoty s ním chápany jednotn, byl zaveden práv tzv. normální fotometrický pozorovatel a stanovena kivka pomrné úinnosti optického záení, která popisuje citlivost oka na rzné vlnové délky záení. Tato kivka byla standardizována mezinárodní komisí pro osvtlování CIE již v roce 1924 a výsledkem je tzv. V kivka popsaná íseln tabulkou hodnot pomrné úinnosti pro jednotlivé vlnové délky záení. Její zkrácenou verzi po 10 nm uvádí tabulka Tab Tab. 1.1 Hodnoty pomrné spektrální úinnosti optické záení (zaokrouhleno) V V 380 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,0000 Graficky je prh spektrální citlivosti oka zobrazen na následujícím obrázku.

9 Svtelná technika 9 Spektrální citlivost V() normálního fotometrického pozorovatele dle CIE 1931 pomrná spektrální citlivost 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Obr. 1.1 Kivka pomrné spektrální citlivosti oka normálního fotometrického pozorovatele Svtelný tok vlnová délka (nm) Jak již bylo naznaeno v pedchozím textu, svtelný tok pedstavuje ve svtelné technice základní jednotku množství svtla odpovídající ekvivalentu výkonu, který se uplatní i vidní. Lze tedy íci, že svtelný tok pímo ovlivuje zrakový vjem a pro vznik zrakového vjemu je nutné dopravit do oka urité množství svtelného toku. Hygienicky sledovanou veliinou je ovšem osvtlenost, která popisuje množství svtelného toku pipadajícího na osvtlovanou plochu. Distribuce svtelného toku v prostoru je záležitostí konstrukce svtelných zdroj, svítidel a samozejm geometrického uspoádání celého prostoru. Svou roli samozejm hrají i barevné (spektrální) vlastnosti materiál podílejících se na redistribuci svtelného toku.

10 Co se týe úinnosti pemny nap. elektrické energie na svtlo, hraje klíovou roli tzv. rný výkon svtelného zdroje, který je definován jako podíl výstupního svtelného toku zdroje a celkového elektrického píkonu svtelného zdroje. Jednotkou je lm W -1. Z díve uvedených skuteností plyne, že teoretickou hranicí je hodnota 683 lm W -1 a to za velice ísného pedpokladu, že bychom veškerou elektrickou energii pemnili na optické záení s pesnou frekvencí 540 THz, tj. vlnovou délkou cca 555 nm. To je samozejm nemožné, nebo pi konverzi elektrické energie ztratíme vtšinu energie v konverzním mechanizmu nap. výboji, jako teplo. Proto díve nejefektivnjší zdroje sodíkové nízkotlaké výbojky dosahují technického maxima pemny asi 200 lm W -1. Daní za tuto vysokou hodnotu je prakticky nulový index podání barev, nebo spektrum záení nízkotlakého výboje v parách sodíku obsahuje jedinou vlnovou délku (589 nm) 1. Proto jsou tyto zdroje v souasné dob využívány pouze minimáln a v odvodnných pípadech nap. v uliním a venkovním osvtlování s minimálními nároky na rozlišení barev. Laboratorn byla prolomena hranice 200 lm W -1 i u luminiscenních zdroj svtla LED firma Cree Inc. oznamuje dosažení úinnosti pemny 254 lm W -1. Dioda je napájená proudem 350mA s teplotou barvy 4408K [ 11 ] Prostorový úhel Svtelný tok mže vycházel ze zdroje v uritém prostorovém úhlu. Prostorový úhel je ta ást prostoru vymezeného obecnou kuželosekou, jejíž vrchol je v míst stedu vycházejícího záení. Jednotkou prostorového úhlu je steradián (sr) a velikostn je rovný ploše, kterou kuželoseka vytne na povrchu jednotkové koule (koule o polomru 1 m), jejíž sted je shodný s vrcholem kužele. Nejvyšší hodnoty max = 4 nabývá prostorový úhel pro celý prostor, tedy povrch celé koule o ploše S = 4r 2 = =4. Prostorový úhel d, pod nímž je vidt element plochy ds z bodu P obecné plochy A ve vzdálenosti r, se vypote ze vztahu d ds cos 2 r, ( 1.1 ) kde je úhel, který svírá normála elementu ds s osou elementárního prostorového úhlu r vzdálenost bodu pozorování a stedu elementární plošky ds. i uvažování kulové plochy o polomru r = 1 m mžeme povrch koule rozdlit systémem rovnobžek a poledník, které vymezují elementární plochy na povrchu koule, viz. Obr Ve skutenosti výboj v parách sodíku pi nízkém tlaku generuje více spektrálních ar, z nich energeticky nejvýznamnjší je dvojára (sodíkový dublet) 589 a 589,6nm.

11 Svtelná technika 11 Obr. 1.2 Prostorový úhel v polárních souadnicích a Plocha libovolného elementu je dána vztahem d sin dd, ( 1.2 ) Pro polární systém souadnic a, lze psát obdobný vztah d cos dd, ( 1.3 ) Ze vztahu pro výpoet plochy kulového vrchlíku lze dále odvodit vztah pro velikost prostorového úhlu kulového vrchlíku a kulového pásu. a d 2 (1 cos), ( 1.4 ) d (cos 1 cos ), ( 1.5 ) 2 2 Význam jednotlivých úhl je patrný z Obr. 1.3 Obr. 1.3 Prostorový úhel kulového vrchlíku a kulového pásu Svítivost Vymezíme-li malý prostorový úhel a známe svtelný tok, který takovým prostorovým úhlem prochází, mžeme urit další fotometrickou veliinu a to svítivost. Její jednotka je kandela (cd) a tvoí jednu ze základních jednotek soustavy SI. Svítivost pak mžeme vypoítat ze vztahu d I. ( 1.6 ) d

12 Svítivost je vektor a má tedy svou velikost a smr. Smr je uren úhlem. Pokud spojíme všechny koncové body vektor svítivosti od bodového zdroje svtla, dostaneme tzv. fotometrickou plochu svítivosti. Ta vyjaduje v podstat smrové charakteristiky vyzaování svtelného zdroje. Pro snadnjší popis vyzaovacích charakteristik definujeme pouze vybrané ezy touto plochou, pomocí ezných rovin. Nejastjším systémem ezných rovin je systém rovin C, nkdy oznaovaných také jako C-. ležitou znalostí je, že svítivost jako taková je definována pouze pro bodové zdroje. Bodový zdroj je zdroj s nekone malými rozmry. V praxi je samozejm takový zdroj nerealizovatelný a proto za bodové zdroje pokládáme ty zdroje, jejichž nejvtší rozmr nepesahuje 1/10 vzdálenosti, ze které je zdroj pozorován. Chyba následných výpo daných tímto zjednodušením obvykle nepesahuje 1%. Reálné zdroje s vtšími rozmry tedy nelze popsat vektory svítivosti, pokud bychom zdroj neposuzovali z dostatené vzdálenosti, kdy se nám jako bodový jeví. Velký zdroj lze však rozdlit na zdroje menší, které této podmínce vyhovují. Výsledné psobení je dáno spoleným psobením jednotlivých takto vzniklých elementárních zdroj Osvtlenost Pokud svtelný tok dopadne na osvtlovanou plochu, vznikne uritá osvtlenost (intenzita osvtlení). Osvtlenost je tak další velice významnou fotometrickou veliinou, nebo osvtlenost je v praxi nejsledovanjší veliinou svtelné techniky. Jednotkou osvtlenosti je lux (lx). kde d E, ( 1.7 ) ds S je plocha, na kterou svtelný tok dopadá. Jelikož energie elektromagnetického záení, resp. jeho prostorová hustota, klesá se tvercem vzdálenosti, klesá se tvercem vzdálenosti i osvtlenost, pokud je zpsobena zdrojem o urité známé svítivosti. Tuto závislost popisuje tzv. tvercový zákon E I r 2. ( 1.8 ) Pro vnímání osvtlované plochy je nejvýznamnjší kolmá (normálová) složka osvtlenosti, stejn jako to popisuje Lambertv zákon pro tepelnou energii. Ve svtelné technice mluvíme o kosinovém zákonu dopadu svtla, asto také o Lambertov kosinovém zákonu. Pro normálovou osvtlenost tak mžeme psát vztah I E n cos, 2 ( 1.9 ) r kde je úhel svírající dopadající paprsek a normála osvtlované plochy. Starší jednotky pro mení osvtlenosti: foot-candela = 10, lx, phot = lx Jas Z hlediska lidského vidní je prakticky nejvýznamnjší veliinou jas. Jas je fotometrická veliina vyjadující množství svtelného toku, který se odráží od daného elementu (nebo z nj vychází), v uritém smru k místu pozorovatele. Jednotkou jasu je kandela na tverený metr (cdm -2 ). Pro snadnjší pedstavu je praktijší vyjádení jasu jako pomru svítivosti, kterou disponuje svítící, nebo odrážející elementární ploška ve smru

13 Svtelná technika 13 k pozorovateli, ku prtné ploše této plošky na smr pozorování. Jednoduše lze toto vyjádit vztahem I L. ( 1.10 ) ds cos Starší jednotky pro uvádní hodnoty jasu jsou: stilb (1 stilb = cd m -2 ), Lambert (1 cd m -2 = /10000 Lambert), apostilb (1 cd m -2 = apostilb), foot-lambert (3, cd m -2 ) Svtlení Pro doplnní základních veliin bychom mohli ješt vzpomenout svtlení, jako ekvivalent osvtlení s tím rozdílem, že na rozdíl od osvtlení, kde na osvtlovanou plochu svtelný tok dopadá, svtlení definuje svtelný tok z plochy vyzaující, resp. odražený d H. ( 1.11 ) ds Jednotkou svtlení je lmm -2, ve starší literatue se mžete setkat s jednotkou elx. U dokonale rozptylných ploch (Lambertovský zá) platí vztah mezi svtlením povrchu a jasem, který lze odvodit z již výše uvedených vztah H L. ( 1.12 ) Pokud osvtlujeme dokonale rozptylující povrch a vytvoí se osvtlení E, pak ze známé odraznosti, lze urit svtlení a následn jas takové plochy dle vztahu L E. ( 1.13 ) 1.3 Shrnutí kapitoly Svtlo je elektromagnetické záení detekovatelné lidským zrakem v rozmezí vlnových délek nm. Jelikož lidské oko má v tomto rozsahu uritou spektrální citlivost na jednotlivé vlnové délky popsanou kivkou V() je nutné záivé veliiny pepoítat na svtelné (fotometrické) a dále již poítat výpoty s tmito fotometrickými veliinami. Mezi základní veliiny pak patí zejména svtelný tok (lm), svítivost (cd), osvtlenost (lx), jas (cdm -2 ) a svtlení (lmm -2 ). S tmito základními veliinami se provádjí výpoty osvtlovacích soustav zejména z hlediska stanovení množství svtla potebného pro správné vidní a zrakovou pohodu. 1.4 ešené píklady íklad 1.1: evody jednotek veliin evete následující hodnoty a jednotky na jiné a) 1000 cd m -2 na stilb, 1 stilb na cd m -2 ešení: 1 cd m -2 = 10-4 stilb, tj cd m -2 = 0,1 stilb b) 1000 cd m -2 na Lambert, 1 Lambert na cd m -2 ešení: 1 cd m -2 = /10000 Lambert, tj cd m -2 = 0, Lambert

14 c) 1 cd m -2 na apostilb, 1 apostilb na cd m -2 ešení: 1 cd m -2 = apostilb, tj. 1 cd m -2 = 3,14159 apostilb d) 1 foot-lambert na cd m -2 ešení: 1 cd m -2 = (1ft 2 m 2 ) foot-lambert = 3, , , tj. 0, foot-lambert e) 1 footcandela na lx ešení: 1 footcandela = 1/(1ft 2 m 2 )2 lx = 1/ 0, = 10,764 lx íklad 1.2: Výpoet svtelného toku, svítivosti, osvtlení Jak vysoko mžeme umístit bodový svtelný zdroj s píkonem 100 W a mrným výkonem 13,6 lm/w, jestliže rovnomrn vyzauje do celého prostoru a má vytvoit osvtlení na podlaze v kolmé vzdálenosti 50 lx. Jaká intenzita osvtlení pak bude ve vzdálenosti 5 metr od bodu pod svtelným zdrojem. ešení: Nejprve si uríme ze známého píkonu a mrného výkonu svtelný tok zdroje: P M z , lm Zdroj vyzauje rovnomrn do celého prostoru, tedy prostorový úhel je roven 4. Z toho žeme vypoítat svítivost bodového zdroje dle vztahu ( 1.6 ). d I ,2 cd d 4 Nyní mžeme ze vztahu ( 1.8 ) odvodit pro maximální vzdálenost vztah r I E n 108,2 50 1,47m Ve vzdálenosti 5 metr od kolmice bude normálová osvtlenost dána vztahem ( 1.9 ). E n I r 2 108,2 cos 2 1,47 1,47 1, ,12 lx Odpov: Zdroj mžeme umístit do výšky maximáln 1,47 m aby osvtlenost neklesla pod 50 lx a ve vzdálenosti 5 metr od kolmice bude osvtlenost asi 14 lx. íklad 1.3: Výpoet svítivosti, osvtlení a jasu Lambertova plocha o velikosti S = 1,8 x 0,5 m a s odrazností 0,8 je osvtlována svtelným tokem 4200 lm. Jaké je její osvtlení E, její jas L a svítivost ve smru kolmém? ešení: Intenzitu osvtlení vypoteme dle vztahu ( 1.7 ) E lx S 1,8 0,5 Jas plochy se urí z odražené složky toku, která uruje svtlení plochy. Mezi osvtlením a jasem u lambertovských zá platí vztah ( 1.13 ) E ,8-2 L 1179 cd m Svítivost v kolmém smru je dána souinem jasu a plochy

15 Svtelná technika 15 I o LS ,9 1070cd Odpov: Plocha bude osvtlena s intenzitou 4670 lx a bude mít jas 1179 cdm -2. Svítivost této plochy v kolmém smru bude 1070 cd. íklad 1.4: Výpoet stední sférické svítivosti Jakou stední sférickou svítivost má rtuová výbojka s píkonem 400 W, má-li svtelný tok 19 klm? ešení: stední sférická svítivost: I o 1510 cd 4 4 íklad 1.5: Výpoet jasu ze sférické svítivosti Sférická svítivost kulového svítidlového skla s prrem 40 cm je 350 cd. Jak velký je jas povrchu koule? ešení: I I L S r 350 0, cd m 2 2 íklad 1.6: Výpoet svtelného toku a jasu Lambertova plocha má svítivost ve smru kolmém I 0 = 85 cd. Jak velký je vyzaovaný svtelný tok? Jak velký je jas této plochy, jsou-li její rozmry 5x9 cm? ešení: Pi výpotu svtelného toku vycházíme z tzv. ekvivalentního prostorového úhlu, do kterého rovinná rozptylná plocha záí. Ten je roven u Lambertovských zá, tedy I lm 0 Jas lze pak vypoítat ze vztahu I o 85 L 18,9 kcd/m 4 S íklad 1.7: Výpoet svítivosti a jasu Kalným sklem zasklený podhled stropu s rozmry 3 x 4 m a s propustností 0, 5 je prosvtlován svtelným tokem 60 klm. Jak velký bude jeho jas L a svítivost ve svislém smru a ve smru 45 od svislice? Jaké bude osvtlení ve vzdálenosti 25 m v tomto smru? ešení: osvtlení horní ploch podhledu E 5 klx, S 12 jas podhledu E ,5-2 L 795 cd m, svítivost ve smru svislém svítivost ve smru 45 I L S cd, 0 0 I I cos , cd ; 45 0 je-li vzdálenost alespo tyikrát vtší než nejvtší rozmr svítící plochy, lze svítící plochu považovat za bodový zdroj; osvtlení lze pak pibližn poítat pomocí I tvercového zákona podle rovnice E 10,9 lx 2 2 r 25

16 1.5 Kontrolní otázky 1. Co je to svtlo? 2. Jaký je vztah mezi záivými a fotometrickými veliinami? 3. Co je to svtelný tok? 4. Jak lze vypoíst osvtlenost? 5. Co je to prostorový úhel? 6. Co je to bodový zdroj svtla? 1.6 Neešené píklady íklad 1.8: Výpoty prostorového úhlu Odvote rovnici pro výpoet prostorového úhlu kulového vrchlíku pozorovaného pod zorným úhlem 2. íklad 1.9: Výpoty prostorového úhlu Odvote rovnici pro výpoet prostorového úhlu pásu mezi dvmi rovnobžkami urenými úhly 1 a 2 ( 1 < 2 ) na jednotkové kouli. íklad 1.10: Výpoty svítivosti Vypote stední svítivost v zonálním pásu ohranieným rovnobžkami v úhlech 1 až 6, 44 až 49 a 88 až 93, jestliže tmito pásy prochází vždy stejný svtelný tok 10 lm. íklad 1.11: Výpoty svtlení Urete svtlení povrchu koule o prru d = 30cm, jestliže svtelný tok, který z ní dopadá na kruhový stl o prru D = 1 m, je stl = 10 lm. Sted koule je nad stedem stolu ve výšce v = 2 m. íklad 1.12: Výpoty osvtlení Jaký musí být elektrický píkon zdroje s mrným výkonem 20 lm/w, aby intenzita osvtlení uprosted tvercového stolu byla 200 lx. Stl má hranu délky a = 1 m a její sted je od kolmého prtu zdroje vzdálen l = 1,5 m. Výška zdroje nad rovinou stolu je v = 2 m. v l Obr Geometrie v osvtlovaném prostoru a íklad 1.13: Výpoty osvtlení Jak vysoko mže být svtelný zdroj ve tvaru koule nad stolem, aby osvtlení stedu stolu nekleslo pod 100 lx. Svtlení povrchu zdroje je H = 5000 elx a prr d = 40 cm. Výšku vypote od povrchu koule.

17 Svtelná technika 17 íklad 1.14: Výpoty rovnomrnosti osvtlení Urete rovnomrnost osvtlení srovnávací roviny místnosti o rozmrech (d x š x v) 6 x 4 x 3 m. Místnost je osvtlována bodovým zdrojem o píkonu 1000 W s mrným výkonem 20 lm/w, který je umístn v rohu místnosti na strop. Odrazy svtla zanedbejte.výška srovnávací roviny je 0,85 m. íklad 1.15: Výpoet svtelného toku Zdroj svtla má v prostorovém úhlu ohranieném úhly 1 =30 a 2 =60 konstantní svítivost I = 200 cd. Jaký tok vyzáí do tohoto pásma? íklad 1.16: Výpoty osvtlení Svítící koule o prru D = 30 cm má jas L = 5000 cdm -2. Je zavšena se stedem ve výšce h = 3 m. Vypote osvtlení bod na podlaze ležících na kružnici o polomru r = 0,5 m se stedem v normále svítidla. íklad 1.17: Výpoty svtelného toku, svtlení a jasu Rozžhavená kulika o prru d = 1 cm je zdrojem svtla se stejnou svítivostí I = 50 cd do všech stran. Vypote jas, svtlení a tok zdroje. íklad 1.18: Výpoty osvtlení Dva bodové zdroje o svítivosti 10 cd osvtlují stnu ve vzdálenosti 5 m. O kolik musíme jeden ze zdroj posunout pi vypnutí druhého zdroje, aby osvtlení stny v kolmé vzdálenosti zstalo nezmno. íklad 1.19: Výpoty osvtlení Kolikrát se zvtší hladina osvtlení v rohu místnosti o rozmrech (š x d x v) 3 x 3 x 2,5m v nmž je umístn bodový zdroj o svítivosti 500 cd, jestliže do protilehlého rohu umístíme tentýž bodový zdroj. íklad 1.20: Výpoty svtelného toku Jaký svtelný tok dopadá na kulatý stl o prru D = 1,5 m z bodového zdroje o svítivosti 500 cd, který je umístn ve výšce 2,5 m nad stedem stolu. íklad 1.21: Jas svítidla Jaký jas bude mít svítidlo z mléného skla ve tvaru koule o prru 40 cm, která má propustnost 0,7. Uvnit svítidla je žárovka 500 W o mrném výkonu 16 lm/w. íklad 1.22: Úinnost svítidla Vypote úinnost svítidla, jestliže víte, že v kulovém integrátoru je výchylka galvanometru 56 dílk na rozsahu pi mení se svítidlem. Svítidlo obsahuje 4 záivkové trubice, z nichž každá pi cejchování zpsobí výchylku 83 dílk na rozsahu Korekní žárovka bez svítidla vykazuje výchylku 101 dílk na rozsahu a se svítidlem 86 dílk na stejném rozsahu. íklad 1.23: Výpoet jasu plochy Jak velký jas má travnaté hišt pi letním denním osvtlení 60 klx, je-li odraznost trávníku 0, 14?

18 2 Oko a jeho základní funkce, tyinky a ípky, zrakový výkon a zraková pohoda, oslnní Cíle kapitoly: Popis zrakového systému, anatomie zraku, definice základních funkcí zraku, funkce a vlastnosti oní sítnice a senzor svtelného záení - tyinek a ípk, adaptaní mechanizmy oka, mezními stavy zraku, vznik oslnní, rozdlení a hodnocení. 2.1 Anatomická struktura zraku Zrakový systém tvoí soubor orgán, které zpracovávají svtelnou informaci z okolního svta do podoby zrakového vjemu. V zásad lze zrakový systém lovka rozdlit na ti základní ásti periferní, spojovací a centrální. V periferní ásti jsou umístny oi lovka. Oko je základní idlo zraku, které pevádí rozložení svtelné energie na nervové signály vedoucí zrakovým nervem, který tvoí spojovací ást, do mozku jako ásti centrální. Oko, jako idlo zraku, stojí na poátku zpracování svtelné informace z okolního svta. Je vlastn pevodníkem svtelné energie na nervový vzruch, který se zpracovává v mozku. Jeho innost a funkce jsou pomrn dobe známy a hlavní mechanizmy zde v krátkosti uveme. Oko je tém sférické tleso jehož hlavní ásti jsou patrné z Obr Svtlo vstupuje do oka pes rohovku - pední stnu oka, pední oní komoru dále pes duhovku a ku, skrz sklivec a kone dopadá na sítnici. Zde svtlo zpsobuje adu fotochemických reakcí, vyvolávající nervové vzruchy, které se velice složit kódují již na úrovni sítnice a jejichž výsledkem je pak frekven modulovaný pulzní signál postupující jednotlivými vlákny ního nervu do mozku rohovka, 2 - duhovka, 3 - zornice (pupila), 4 - ka, 5 - ciliární sval, 6 - sítnice, 7 - centrální jamka, 8 - cévnatka, 9 - zrakový nerv Obr. 2.1 Stavba oka Vlastním senzorem a pevodníkem svtelné energie na energii elektrickou jsou svtloivé buky - tyinky a ípky. Podle složení fotopigmentu, který je nejdležitjším prvkem v cest transformace, se mní citlivost na rzné druhy svtla, co se týe jeho spektrálního složení. Zatímco tyinky jsou schopny rozlišovat pouze jakási kvanta svtelné energie, u ípk jsou pozorovány i spektrální závislosti citlivosti jednotlivých druh. V podstat jsou rozlišovány ti druhy ípk z hlediska spektrální citlivosti, podobn jako je tomu u jiných systém využívajících barevného míchání, i barevné filtrace. Citlivost ípk je však podstatn menší než u tyinek (asi tisíckrát), proto se uplatují zejména ve dne, kdy se úrovn

19 Svtelná technika 19 jas pohybují nad hranicí asi 10 cdm -2. Jsou schopny ale pracovat ješt pi úrovni jasu 0,001 cdm -2, která uruje hranici noního (skotopického) vidní. V noci pebírají funkci svtlocitlivých bunk tyinky, které naopak ve dne nemohou pracovat, kvli své vysoké citlivosti. Jelikož jsou však tyinky pouze jediného typu, nerozlišují barevné složení svtla. Zmna citlivosti senzor se projevuje i v oblasti spektrální. Pro barevné vidní (fotopické) je obecn známa kivka spektrální citlivosti oka normálního pozorovatele. Její maximum leží na vlnové délce asi 555 nm. íkáme, že oko je nejcitlivjší práv na tuto vlnovou délku pi denním vidní. Významný eský vdec Jan Evangelista Purkyn pi svých pokusech zjistil, že pi noním vidní jsou jasnji vnímány pedmty s barvou modrou než ervenou, pemž ve dne je to pesn naopak. Dvodem této zmny je posun maxima citlivosti sítnice na vlnovou délku asi 505 nm u skotopického vidní, tedy smrem k modré barv. Tento fenomén je obecn znám jako tzv. Purkyv jev a primárn je zpsoben práv zmnou spektrální citlivosti sítnice pi zm vidní fotopického na skotopické, kdy se maximum citlivosti zraku posouvá smrem ke kratším vlnovým délkám. Citlivost oka se krom pechodu z tyinkového na ípkové vidní mní i dalšími mechanizmy. Obecn mluvíme o tzv. adaptaci zraku na jas. Další významný mechanizmus je omezení množství svtla procházejícího do oka velikostí zornice. Duhovka mže mnit plochu vstupního otvoru a tím množství svtelného toku. Pomr se mní až 20-krát. Posledním z dostupných adaptaních mechanizm je zmna velikosti tzv. vjemových polí. Vjemová pole jsou logické celky na sítnici, do kterých se sdružují tyinky a ípky za elem vzniku vtšího signálu na výstupu. Vjemová pole se mohou vzájemn pekrývat, tj. buky mohou být souástí více než jednoho pole. Cílem svtelné techniky je zajistit takové osvtlovací podmínky, aby zrak pracoval optimáln. Jde zejména o vhodné rozložení jasu v osvtlovaném prostoru, resp. v pozorované scén. Volbou správných osvtlovacích systém zdroj a svítidel, a jejich rozmístním toho lze dosáhnout. Oko a celý zrak zde tedy hrají primární roli. Z toho také vycházejí hygienické normy, které stanovují pedevším hladiny osvtlení pro rzné druhy inností a rovnomrnost osvtlení. 2.2 Mezní stavy zraku Zrak má vymezeny urité hranice své funknosti. Pokud se blížíme k tmto hranicím, mluvíme o tzv. mezních stavech, kdy již nelze zajistit zcela správnou innost zraku, zraková innost zaíná být njakým zpsobem narušována. Pekroením hranice se dostáváme do situace, kdy mže zrak pestat pracovat zcela a záleží pak na druhu podntu, zda je tato nefunknost krátkodobá, dlouhodobá i v nejhorším pípad trvalá. Nejbžnjším podntem k narušení zrakové innosti je vysoká úrove jasu. Ta mže být celková i lokální. Pi celkov vysoké hladin jasu dochází k petžování celé sítnice, pi lokální zvýšené hladin jasu se mže petížit pouze nkterá ást sítnice. že nastat i situace opaná, kdy sice nedochází k petžování sítnice ale zraková innost je také znemožnna i omezena. Tato situace nastává naopak pi nízké úrovni jasu, kdy oko není schopné rozlišovat kontrasty jas, nebo úrove adaptace je posunuta k vyšším hodnotám jasu a nižší úrovn nejsou zaznamenány. Tento stav nastává, jestliže v míst zrakového úkolu není dostatená úrove osvtlení a naopak okolí je osvtleno více. Zrak se adaptuje na celkov vyšší hodnotu jasu a vlastní innost zraku je zhoršena. Dochází k rychlejší únav zraku a snížení zrakového výkonu obecn. Celková úrove adaptace je u zraku až neuviteln široká. Oko je totiž schopno izpsobit své parametry v rozsahu osvtlenosti svislé roviny proložené zornicí v rozmezí asi

20 0,25 lx až lx, což je dynamika tém 6 dekád. Navíc schopnost oka vnímat svtelné podnty je posunuta až k hranice lx a to pedstavuje rozsah vnímání až 14 ád! Toto íslo však pedstavuje jakési absolutní hranice zraku. Reálná rozlišitelnost pi urité hladin adaptaního jasu je samozejm mnohem menší. Aby se dala lépe definovat rozlišitelnost jako schopnost oka rozlišit urité rozdíly jasu, byla zavedena veliina nazvaná kontrast jasu K, kterou mžeme urit ze vztahu kde La Lb K, ( 2.1 ) L b L a je jas rozlišovaného detailu L b jas jeho okolí. Nejmenší rozlišitelný rozdíl jas se nazývá práh rozlišitelnosti jasu a odpovídá mu tzv. prahový kontrast K min. evrácenou hodnotou prahového kontrastu je definována kontrastní citlivost, jejíž velikost závisí nejen na jasu bezprostedního okolí rozlišovaného detailu, ale také na velikosti kritického detailu. Pro danou velikost detailu roste kontrastní citlivost s adaptaním jasem a optimálních hodnot dosahuje pro jasy pibližn 300 až 5000 cdm -2. Hladina adaptaního jasu je pro rozeznání dvou ploch s rozdílným jasem velice dležitá. i nízkém adaptaním jasu, nap. 0,0015 cdm -2, je lovk schopen rozlišit plošky s pomrem jas 1:3. Pi vyšších adaptaních jasech, nap cdm -2, je možné dokonce rozeznat plochy s pomrem jas pouhých 1:1,01. Obr. 2.2 Oblast optimálního a ješt pijatelného jasu pozorovaného objektu v závislosti na jasu pozadí Optimální oblast pracovních podmínek pro zrakovou innost je nejvýznamnjším faktorem pro definici zrakové pohody. Pokud se podaí v osvtlovací soustav zajistit rozložení jas, které by odpovídalo vymezené oblasti, je velká pravdpodobnost, že pracovník v daném prostoru odevzdá maximální výkon pi minimálních možných zrakových potížích. Z hlediska hygieny osvtlování by zájem o dosažení takového stavu ml být na prvním míst. Definice optimálního rozložení jasu však není zcela jednoznaná a mže se mnit s adou faktor, u každého jedince jinak. Pesto lze definovat uritý model, který situaci vystihuje, co se týe nap. optimálního jasu pozorovaného objektu vi jasu pozadí, viz. Obr Z obrázku jsou patrné i zmínné mezní stavy, kdy oko pestává vidt bu vlivem oslnní (jasy píliš vysoké) nebo vlivem špatné rozlišitelnosti (jasy píliš nízké). Hodnoty jsou orientaního rázu a vycházejí z prrných fyziologických vlastností oka.

21 Svtelná technika Rozlišovací schopnost Dalším mezním faktorem urujícím hranice lidského vidní, jsou rozmry pozorovaného pedmtu. Nejmenší detail, který je pi práci pozorován je nazýván kritickým detailem. Aby byl rozlišitelný zrakem, musí být vtší než umožuje rozlišovací schopnost zraku, která je posuzována pomocí tzv. zrakové ostrosti. Ta je definována jako schopnost zraku rozeznat dva detaily na uritém pozadí, nap. dváry nebo body. íseln je zraková ostrost vyjádena jako pevrácená hodnota nejmenšího úhlu meného v úhlových minutách, pod kterým jsou dva detaily okem pozorovány. Za normální ostrost se považuje hodnota Frekvence splývání Zrakový vjem má uritou setrvanost, což znamená že zrakový vjem je zachován i v dob, kdy svtelný podnt již neexistuje nebo má jinou hodnotu a naopak, vjem vznikne až za uritou dobu po vzniku svtelného podntu. Pokud se svtelný podnt periodicky opakuje, je vnímán jako perušovaný pouze do urité frekvence. Po pekroení této frekvence se jeví jako stejn jasný jako aritmetický prr intenzit periodicky se mnícího podntu. Tuto skutenost popisuje Talbotv zákon a mezní frekvence se nazývá frekvence splývání. Ta se vypote pomocí empirického vztahu f s a log L b, ( 2.2 ) a kde konstanty a, b mají hodnotu 12 a 33 Hz pro L a (jas podntu) 2 až 300 cd.m -2 Frekvence splývání uruje nap. mezní obnovovací frekvenci snímk klasických poítaových monitor, hraje roli pi vzniku stroboskopického jevu, kdy dochází k interferenci více obrazových signál (nap. rotující souásti a míhavé svtlo ze svítidla napájeného síovým kmitotem). Stroboskopický jev mže zpsobovat i vážné úrazy, nebo vlivem zrakového zpoždní se rotující souásti mohou jevit jako stojící nebo pohybující se opaným smrem. Osvtlení rotaních stroj musí být proto provedeno tak, aby k tomuto jevu nedocházelo, nap. žárovkovým osvtlením, které má menší index míhání než záivkové osvtlení s klasickými pedadníky. 2.3 Oslnní Mluvíme-li o oslnní, máme na mysli stav, pi kterém zrak zaznamenává jisté narušení funkce vlivem svtla, které vychyluje zrakovou innost od ideálního stavu. Kapitola popisuje hlavní piny jeho vzniku, vliv na zrakovou innost, metody mení a hodnocení a v závru problematiku minimalizace i úplného odstranní oslnní pi pracovní innosti. Souasná teorie rozlišuje dva základní typy oslnní - oslnní fyziologické a mén výrazné oslnní psychologické. Oba typy se dále dlí na mén a více významné složky. V literatue je možné se stetnout s rznými pohledy na tídní oslnní, ale podstata vychází vždy ze dvou výše jmenovaných typ. Jelikož v osvtlovacích soustavách se fyziologické osvtlení prakticky nesmí objevit, je hodnocení oslnní zameno pedevším na mírnjší složku psychologické rušivé oslnní. Pokud se zabrání této složce, je automaticky zabránno i všem vyšším stupm oslnní. Pokud se zdroje rušivého oslnní podaí odstranit, pi souasném zajištní potebné intenzity osvtlení, lze hovoit o tom, že daná soustava disponuje jak kvantitativními tak kvalitativními parametry. ení psychologického oslnní je pomrn nesnadná záležitost. Jak již bylo eno esná pina vzniku oslnní není zcela známa a vychází se pouze z poznatk, že oslnní je vyvoláváno oslujícími zdroji, umístnými v zorném poli pozorovatele tak, že vyvolají

22 u pozorovatele vdomé narušení zrakové innosti. V podstat všechny metody z tohoto faktu vycházejí a jsou rovnž na podobných experimentech založeny. Výzkumy provádné v historii znamenaly adu experimentálních a statistických pozorování na vtších i menších skupinách vybraných osob. Na jejich základ vznikly empirické, více i mén vypovídající vztahy a byly ureny tabulky hodnot, kde se mohou hodnoty oslnní vypotené tmito vztahy pohybovat, aby soustava odpovídala danému standardu. Kvantifikace míry oslnní vychází z využití obecného vztahu, který popisuje vliv jednotlivých veliin na oslnní. Veliina, kterou se rušivé oslnní kvantifikuje se nazývá initel oslnní a jeho urení vychází z jednoduché úvahy, která pedpokládá, že oslnní je tím tší, ím vyšší jas oslující zdroj (L z ) má a ím je zdroj vtší prostorový úhel (). Naopak oslnní klesá, pokud se zvyšuje jas pozadí (L p ) (adaptaní jas) a zdroj se vzdaluje od optické osy vidní popsáno initelem polohy (p). Obecn lze tuto závislost popsat výrazem a z c p b L G, d ( 2.3 ) L p Konstanty a,b,c,d jsou experimentáln stanovené hodnoty, které se liší podle autora, jenž výzkum provádl a hodnot, které byly stanoveny jako limitní initele oslnní pro rzné pracovní innosti. Píklad konstant je uveden v tabulce. Tab. 2.1 Koeficienty pro výpoet initele oslnní dle vztahu ( 2.3 ) a b c d Netušil 1 0,4 0,5 1 Harrison 2 1 0,6 1 Arndt Bodman 1 0,33 0,66 1 Muck Hopkinson 1,6 0,8 1 1,6 Sørensen Jelikož zrak má citlivost na jas spíše logaritmickou a i vnímání oslnní vzhledem k initeli oslnní je spíše logaritmickou záležitostí, byly následn zavedeny upravené formule pro výpoet tzv. indexu oslnní, který používá logaritmus initele oslnní vynásobený patnou konstantou pro získání snadno použitelné hodnoty. Jedním z nich je Sørensenv vztah GI s n 1 Lzi i 8 log, 2 ( 2.4 ) 4 L p i1 pi 2 i Ten byl následn s úpravami pevzat jako základ dnes uznávaného a doporuovaného systému hodnocení oslnní tzv. UGR (Unified Glare Ratio) metody. Index UGR se vypote dle vztahu n 2 0,25 L i i UGR 8 log, 2 ( 2.5 ) Lb i1 pi kde L i je jas i-tého oslujícího zdroje, i je prostorový úhel, který zaujímá oslující zdroj z místa pohledu, kde se oslnní hodnotí, p i je initel polohy i-tého zdroje a L b je jas pozadí nezahrnující píspvky oslujících zdroj. Obvykle se tento jas stanovuje jako ekvivalentní jas nekone velké roviny, která by vyvolala v míst oka normálovou osvtlenost E n stejnou jako uvažované prostedí, které vytváí jas pozadí. Lze jej tedy stanovit ze vztahu

23 Svtelná technika 23 1 L b E n. ( 2.6 ) Ve starší literatue, normách a nebo projektech se mžeme stetnout ješt s jiným vztahem pro hodnocení rušivého oslnní a zde jej zaazuji zejména proto, že pochází z prací známého eského vdce a odborníka ve svtelné technice Jaroslava Netušila, jehož práce byla uznána i v zahranií a uvádna i v doporueních Mezinárodní komise pro osvtlování CIE. Netušilv vzorec pro initel oslnní má tvar G N n i1 K i LZi 0,5 L P 0,4 i 2. ( 2.7 ) Mezní hodnoty indexu oslnní pro orientaní pehled uvádí následující tabulka Tab. 2.2 Mezní hodnoty indexu oslnní rzné druhy inností Pracovišt GI smax pracovišt s poítai 16 kanceláe, dozorny 19 jemná výroba 22 prmyslová žná výroba 25 pracovišt hrubá výroba 28 K hodnocení oslnní lze závrem uvést, že v souasné dob platí národní norma harmonizovaná s normou evropskou [ 8 ], která stanovuje pro oslnní hodnoty indexu UGR pro nejastjší prostory a innosti. Výpoet UGR lze automatizovat na poítai a vtšina výpoetních program jej umí bžn vyíslit. Mení skutené hodnoty v interiéru je zatím pomrn komplikovanou záležitostí a hledají se dostupné technologie, které by tento micí proces zjednodušili [ 3 ]. 2.4 Shrnutí kapitoly V této kapitole byly probrány základní vlastnosti lidského zraku, který tvoí stžejní orgán smyslového vnímání. Pochopení jeho innosti v základních rysech je nutné pro cílený návrh osvtlovacích soustav. Oko dokáže zpracovávat svtelné podnty v omezeném rozsahu a proto je teba osvtlení navrhovat s ohledem na jeho vlastnosti. Základní funkní ástí oka je sítnice, obsahující svtlocitlivé buky: tyinky citlivé na celkové množství svtla a ípky citlivé na rzné spektrální složení svtla a tedy reagující na barevné podnty. Oko se adaptuje na uritý adaptaní jas pozadí pomocí adaptaních mechanizm. Pokud pozorovaná scéna obsahuje místa s jasy mimo rozsah zpracovatelnosti není oko schopné tyto podnty zpracovat. Hovoíme o tzv. mezních stavech zraku. Nejastjším kritériem pro posuzování kvality osvtlení je úrove oslnní. Z hlediska hodnocení se pak nejastji posuzuje oslnní rušivé, jehož výpoet je založen na nejrznjších ístupech a empirických vztazích. Jelikož se jedná o psychologickou záležitost je i hodnocení oslnní nároné a do dnešní doby nejednozna zpracované. 2.5 ešené píklady íklad 2.1: Výpoet kontrastu Vypote kontrast detailu, který má jas 200 cd.m -2 na svtlém podkladu o jasu 300 cd.m -2

24 ešení: Dosazením hodnot do vztahu K La Lb = 0,333 L b íklad 2.2: Frekvence splývání Urete minimální frekvenci snímkového kmitotu obrazovky monitoru, jestliže nemá být pozorovatelné blikání obrazovky pi jasu obrazovky 200 cd.m -2. ešení: Použijeme Talbotv zákon f s a log L b a dosazením hodnot dostaneme f s 12 log ,6Hz. Pro zvýšení pásma jistoty mžeme použít nejbližší vyšší frekvenci, nap. 65Hz. 2.6 Kontrolní otázky 1. Vyjmenujte hlavní ásti oka? 2. Jaký je rozdíl mezi tyinkami a ípky? 3. Co je to adaptace zraku? 4. Jak je definován kontrast? 5. Co jsou to mezní stavy zraku? 6. Co je to frekvence splývání a jak se urí? 7. Co je to oslnní a jak se rozdluje? a 2.7 Neešené píklady íklad 2.3: Výpoet initele oslnní Vypote index oslnní UGR, máte zadané tyto hodnoty: jas oslujícího zdroje 2000 cd.m -2, jas pozadí 200 cd.m -2, velikost oslujícího zdroje ve tvaru koule je 1 m a je pozorován ve vzdálenosti 5 metr. initel polohy podle Gutha je 3. íklad 2.4: Výpoet initele oslnní Vypote index oslnní UGR z pedchozího zadání, pokud budou pítomny stejné zdroje oslnní ješt v poloze s initelem p = 2 a 4. 3 Barevné vlastnosti svtla Cíle kapitoly: Barva svtla, kolorita, chromatinost, trichromatické systémy, index podání barev, referenní zdroje svtla. 3.1 Základní pojmy Barva je kvalitativní složkou zrakového vjemu a mžeme ji popsat jako tu ást vjemu, který umožuje rozlišení dvou prostorov sousedících svtelných podn, pokud neuvažujeme jejich intenzitu. Kolorita popisuje barevné vlastnosti povrch tles, tj. jaký vjem barvy vzbudí uritý povrch nebo svtlo propouštjící materiál pi osvtlení (vtšinou) jedním z normalizovaných svtel. Kolorita pedmtu závisí na spektrálních vlastnostech initele odrazu nebo prostupu materiálu.

25 Svtelná technika 25 Chromatinost naopak popisuje vlastnosti primárních zdroj svtla, tj. barevné vlastnosti svtla uritého svtleného zdroje. Chromatinost je dána pouze spektrálním složením daného svtla. 3.2 Zákony mísení barev Dva nebo více barevných podn se mohou mísit a vytváet tak výsledný barevný vjem. Po smísení již nejsme schopni zptn urit, z jakých komponent podnt vzniknul. edstavíme-li si barevné spektrum jako sms všech dostupných monochromatických svtel, pak každé svtlo je vlastn kompozicí tchto dílích barevných podn. Po dopadu na sítnici oka dochází dále k razantní redukci spektrální informace, nebo lidský zrak obsahuje pouze i typy barevných ípk, které rozlišují vjemy dlouhých, stedních a krátkých vlnových délek svtla jako integrální psobení dopadajícího spektra. Na úrovni sítnice tedy dochází k rozdlení barevné informace na ti základní podnty, které jsou zdrojem pro vnímání barev. Díky tomuto principu nejsme schopni rozlišit pvod barev, tj. z jakých složek vznikly, vnímáme pouze výslednou sms. Spojení více barevných podn do jediného prostým setením jednotlivých podn se nazývá aditivní míchání barev a je základem subjektivní kolorimetrie. Za aditivní míchání barev mžeme považovat také pípad, kdy se dva nebo více barevných podn rychle periodicky mní v ase, tak, že oko není schopné tuto zmnu zaznamenat. Výsledný vjem vnímá jako prrnou hodnotu všech takto stídaných barevných podn. Dalším pípadem je situace, kdy aditivní sms vznikne z mozaiky velice malých plošek zných barevných vlastností, které jsou okem vzájemn nerozlišitelné. Oko rozliší až jejich celkové psobení v soutové ploše. Tento princip se využívá prakticky u všech barevných zobrazovacích zaízení. Vedle aditivního zpsobu míchání barev používáme dále metody subtraktivního míchání, které vycházejí z opaného principu, kdy výsledný barevný vjem vzniká z pvodního svtelného podntu odetením (odfiltrováním) uritých spektrálních ástí. To lze dosáhnout nap. spektrální odrazností nebo propustností materiálu. Subtraktivní míchání barev je doménou tiskových zaízení, kde nap. smíšením inkoust s rzným initelem odrazu vznikají po osvícení papíru rzné odražené složky vzniklé odrazem od dané smsi pigment. Subtraktivní míšení je tedy spíše pojmem umlým, nebo barevné podnty není možné odeítat, ale mžeme sítat pvodní barevné podnty zmenšené o uritou ást spektra (filtrace spektra) a) b) Obr. 3.1 Zpsoby míchání barev a) aditivní, b) subtraktivní S míchání barev také souvisí pojem tzv. doplkové barvy. Každá barva má svoji barvu doplkovou a jejich vzájemným smícháním dostaneme barvu nepestrou, šedou. Píklad doplkových barev ukazuje následující obrázek.

26 Obr. 3.2 Doplkové barvy 3.3 Trichromatické souadnicové systémy Trichromatické souadnicové systémy jsou založeny na zákonech aditivního míchání barev. Na základ trojkomponentní soustavy lze dokázat, že jakoukoliv barvu lze získat jako sms tí nezávislých základních barev. Vhodn zvolené referenní barvy pak tvoí základ dané trichromatické soustavy. Prakticky se volí taková svtla, která jsou svou chromatiností od sebe dostate vzdálená. Jako první soustava byla Mezinárodní komisí pro osvtlování MKO (CIE) zvolena základní monochromatická svtla ervené, zelené a modré s vlnovými délkami r =700,0nm, g =546,1nm a b =435,8 nm. Tato základní svtla se oznaila R,G a B. Dvod byl jednoduchý monochromatická svtla 546,1nm, 435,8 nm tvoí spektrální áry záení rtuového výboje a 700 nm bylo zvoleno zámrn z dvodu rozlišení vysoké dynamiky zraku v oblasti ervených barev. Intenzitu základních svtel vyjadujeme zakreslením do trojrozmrného prostoru, jehož souadnice x,y,z odpovídají intenzitám referenních svtel. Jakékoliv svtlo zakreslené v tomto prostoru lze získat jako vektorový souet složek základních svtel. íkáme, že dané svtlo má urité barevné souadnice, místo tvrzení svtlo vznikne smísením základních svtel v uritém pomru. Základním problémem je urit jednotky, kterými budeme mit intenzitu jednotlivých podn. To lze provést bu mením energetického obsahu nebo fotometrického obsahu podntu. Teoreticky si však jednotky mžeme urit libovoln, vhodná je však taková volba, která zajistí co nejlepší praktické mení. Pro trichromatický systém R,G,B byl fotometrický obsah jednotek zvolen v pomru 1,000:4,5907:0,0601, což odpovídá energetickému obsahu 72,0962:1,3791:1,0000. Pi volb jednotek intenzity barevného svtla se z praktických vod zavedlo takové rozložení, které pi setení jednotlivých složek znamená získání stejné intenzity, jako složený podnt.

27 Svtelná technika 27 Obr. 3.3 Trichromatický souadnicový systém Na obrázku je znázornna volba jednotkových intenzit podn RGB. Tuto intenzitu volíme práv tak, aby vektor OA ml práv R+G+B jednotek, ímž dosáhneme stejné intenzity soutu referenních svtel i výsledného podntu. Souadnice koncového bodu a(r,g,b) R r R G B G g R G B B b R G B ( 3.1 ) Z veliin r, g a b jsou lineárn nezávislé pouze dv, nebo tetí lze vždy dopoítat jako doplnk do jedniky ze soutu zbývajících složek r g b Souadnicový systém XYZ ( 3.2 ) Uvedený systém RGB má z praktického hlediska nkolik nevýhod. I když referenní svtla jsou fyzikáln realizovatelná, nelze pomocí nich generovat všechny skutené barvy. tšina monochromatických svtel má v tomto systému nkterou souadnici zápornou. Další nevýhodou je, že barvy jsou nevhodn rozdleny tak, že pevážnou ást trojúhelníka zabírají odstíny ervené a purpurové. Práv kvli tmto dvodm byla zvolena transformace RGB systému do jiného souadného systému s novými souadnicemi X,Y a Z. Navržená transformace byla schválena v roce 1931 Mezinárodní komisí pro osvtlování CIE. epoet z pedchozích RGB souadnic se ídí následujícími rovnicemi. X 0,490 Y 0,17697 Z 0,00 0,310 0, ,010 0,20 R 0,01063 G 0,99 B ( 3.3 )

28 i volb nových souadnic se stanovily takové pedpoklady, které umožují snazší práci a výpoty v barevném prostoru XYZ. Transformace vychází z tchto požadavk: a) trojúhelník má ležet vn kivky spektrálních barev a obepínat tuto kivku co nejtsnji. Pak souadnice všech reálných svtel budou vždy kladné. b) barevné souadnice bílého svtla s izoenergetickým spektrem má ležet v tžišti kolorimetrického trojúhelníku c) souadnicová rovina XZ má být rovinou nulového fotometrického obsahu barevného svtla, tj. má procházet poátkem souadného systému tak, aby byla rovnobžná s rovinami konstantního fotometrického obsahu. Pak souadnice Y ímo uruje fotometrický obsah. V tomto novém systému jsou reálné barevné podnty vyjádeny aditivní kombinací tí imaginárních svtel X,Y,Z. Zmna intenzity složek X a Z pitom nemní intenzitu barevného podntu, ale mní pouze barvu. Stejn jako u složek R,G,B i zde mžeme trichromatické složky promítnout do trichromatických souadnic x,y,z. X x X Y Z Y y X Y Z Z z X Y Z ( 3.4 ) emž opt postaí dále uvádt pouze souadnice x a y, nebo souadnice z je dána doplkem soutu do jedniky. Souadnice Y sama uruje fotometrický obsah a je íseln rovna 1/683 jasu podntu v cd.m -2. Tedy L 683 Y ( 3.5 ) Trichromatické složky lze vypoítat ze spektra barevného podntu pomocí integrace spektrální energie váhované tzv. spektrálními leniteli. Spektrální lenitel vyjaduje energetický píspvek píslušné vlnové délky k celkové výsledné hodnot dané souadnice, tedy: X Y S( ) x( ) d 0 S( ) y( ) d 0 ( 3.6 ) Z S( ) z( ) d 0 Funkní hodnoty trichromatických lenitel jsou ureny normativn. Na následujícím obrázku jsou prhy lenitel zobrazeny v grafické podob.

29 Svtelná technika 29 2,0 1,8 1,6 x () y () z () 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Obr. 3.4 Prh trichromatických lenitel x, y, z Z fyzikálního hlediska lenitelé vlastn urují citlivost píslušných pijíma, které vyhodnocují integrální psobení dopadajícího spektra zkoumaného svtelného podntu. Na následujícím obrázku je uveden princip mení barevných souadnic x,y,z u referenního svtla A (teplotní zdroj s teplotou 2856 K). Obr. 3.5 K výpotu trichromatických souadnic Výslednou polohu barevného podntu lze zakreslit do tzv. trichromatického trojúhelníku barev, viz. následující obrázek

30 Obr. 3.6 Trichromatický trojúhelník CIE 1931 se zakreslenou árou teplotních zdroj Další trichromatické systémy Ani systém XYZ není ideální pro všechny aplikace. Kritickým místem je jeho nerovnomrnost z pohledu chromatinosti (kolority). V trojúhelníku totiž stejné vzdálenosti neodpovídají stejnému vjemu rozdílu barev. Nápravu v tomto smru poskytuje rovnomrný kolorimetrický prostor UVW. Ten byl pozdji nahrazen praktijšími systémy, nicmén dosud je používán nap. pro hodnocení indexu podání barev. 4x 6y u, v 2x 12y 3 2x 12y 3 ( 3.7 ) CIE LUV Tato soustava se používá v oboru svtelných zdroj a barevných signál, ve fotografii, v televizním a polygrafickém prmyslu. Výpoet souadnic L*u*v* se provádí dle následující soustavy pepotových rovnic. nebo 4x 9y u, v 2x 12y 3 2x 12y 3 4X u, v X 15Y 3Z 9Y X 15Y 3Z ( 3.8 ) 1 3 * Y Y L pro 0, Y n Y n Y L * Y 903, 3 pro 0, u Y n 13 L * ( u u ) * n Y n ( 3.9 )

31 Svtelná technika 31 v * * 13 L ( v ) v n kde u n X n 4X 15Y n n 3Z n, v n X n 9Y 15Y n n 3Z n ( 3.10 ) CIE LAB Tato soustava se výhradn používá v textilním prmyslu pi hodnocení textilních materiál. Výpoet souadnic L*a*b* se provádí obdobn jako v pedchozím pípad, pouze s odlišnými koeficienty. Podrobnjší informace lze nalézt nap. v [ 1 ] Index podání barev Index podání barev udává prrnou odchylku barevného vnímání referenních barevných vzork osvtlených zkoumaným zdrojem svtla, u njž index podání barev zjišujeme a referenním zdrojem svtla, který bereme jako normál. Jednotlivé barevné vzorky jsou osvtleny referenním a meným svtlem a jsou zmeny souadnice odražené barvy svtla v souadném systému UVW, tedy v rovnomrném kolorimetrickém prostoru. Odchylka pro jednotlivý vzorek definuje speciální index podání barev R i (R 1 -R 14 ). kde a R i ,6 ( U oi U ki ) ( Voi Vki ) ( Woi Wki ) Všeobecný index podání barev Ra se urí vztahem R E a E a 2 2 ( 3.11 ) 100 4, 6 ( 3.12 ) 1 n a E i n i1 E i 2 2 ( U oi U ki ) ( Voi Vki ) ( Woi Wki ) 2 ( 3.13 ) ( 3.14 ) Výpoet je pomrn nároný, nebo vyžaduje znalost spektra zkoušeného a srovnávacího zdroje svtla, ale také spektrální odraznosti jednotlivých barevných vzork, které používáme na mení. Výpotem stanovíme spektra odraženého svtla a pomocí spektrálních lenitel x() a y() vypoteme souadnice X,Y odraženého svtla. Stanovíme v diagramu chromatinosti teplotu chromatinosti a uríme referenní zdroj svtla pro porovnání. Ten se nesmí dle normy lišit o více než 5 MK -1. Referenní zdroj svtla má rovnž své spektrum a obdobn i pro nj uríme souadnice X,Y odraženého svtla. Souadnice evedeme do systému U,V,W a vypoteme prrnou odchylku vnímání barev od všech vzork dle rovnic uvedených výše a stanovíme index podání barev. Ten srovnáme s hodnotami uvádnými výrobcem. Druhou možností je pímé mení pomocí referenních vzork osvtlovaných referenním a srovnávacím svtlem. I tato metoda je však velice komplikovaná a vyžaduje specializované laboratorní vybavení Teplota chromatinosti Teplota chromatinosti svým zpsobem ovlivuje vnímání prostoru z hlediska zrakové pohody. Vychází z fyziologických aspekt zrakového vnímání, které respektují zmnu teploty

32 chromatinosti svtla bhem denního cyklu. Nižším hodnotám osvtlení odpovídají nižší teploty a naopak. Veerní soumrak má výrazn nižší teplotu než ranní rozbesk. rychlost zmny osvtlení je v tchto denních dobách také výrazn odlišná a vnímání teploty svtla vychází z tohoto vrozeného mechanizmu zmny parametr denního svtla. Vnitní osvtlení by proto mlo respektovat tyto fyziologicky nastavené skutenosti. Teplotu chromatinosti lze opt urit výpotem nebo mením. Teplotu chromatinosti lze získat rovnž z katalogu a datových list výrobc svtelných zdroj. Norma SN EN uruje pro nkteré prostory teploty chromatinosti. Pro ostatní prostory by mla být hodnota urena na základ expertní znalosti, zkušenosti a praktické použitelnosti. Metodu rozhodování je teba urit. 3.4 Normalizovaná svtla Barva povrchu tlesa závisí nejen na vlastnostech samotného materiálu, ale také na svtle, které materiál osvtluje. Pro jednoznaný výsledek mení barevných vlastností povrch musíme povrchy osvtlovat normalizovanými druhy svtla, která mají normou dané spektrální složení. MKO (CIE) stanovila tyto druhy bílého normalizovaného svtla: Normální svtlo A má barevné souadnice x = 0,4476 a y = 0,4075 a teplotu barvy 2856 K. Je realizováno plynem plnnou žárovkou s wolframovou dvojit vinutou spirálou. Normalizované svtlo B odpovídá stednímu dennímu svtlu s teplotou barvy 4874 K a souadnicemi 0,3484 a 0,3516. Odpovídá zhruba pímému slunenímu svtlu. Normalizované svtlo C má barevné souadnice 0,3101 a 0,3163 s teplotou barvy 6774 K. Odpovídá pibližn rozptýlenému slunenímu svtlu. Normalizované svtlo E odpovídá svou chromatiností izoenergetickému svtlu, tj. jeho souadnice jsou x=0,333 a y=0,333. Teplota barvy je pibližná 5700 K. Svtla B,C a E vzniknou ze svtla A tím, že svtlo necháme procházet jedním ze tí normalizovaných Davis-Gibsonových filtr. Tyto filtry se realizují pesn stanovenými chemickými roztoky nalitými mezi rovnobžné sklenné destiky SA () SB () SC () SE () Obr. 3.7 Spektrální rozložení energie normalizovaných druh svtle A,B,C a E

33 Svtelná technika 33 Svtla B a C jsou postupn nahrazovány normalizovanými druhy svtla D. Svtlo D je realizováno pouze íseln a používá se jen pro zpracování spektrofotometrických mení. Svým spektrálním složením odpovídá svtlo D prrnému dennímu svtlu. Pednostn se používá svtlo D65 s náhradní teplotou chromatinosti 6504 K SD50 () SD55 () SD65 () SD75 () Obr. 3.8 Spektrální rozložení energie normalizovaných druh svtel D Pro úplnost lze uvést použití normalizovaného svtla I, které odpovídá izoenergetickému svtlu s konstantní záivou energií, a má souadnice x = 0,333 a y = 0, Shrnutí kapitoly Lidský zrak je schopen krom intenzity svtla rozlišovat také tzv. barevné podnty. Ty jsou dány rzným spektrálním složením svtla a umožují bez ohledu na intenzitu svtla rozlišit dva sousední body na základ jiného vjemu barvy. Pro popis barevných vlastností svtla se ustálilo používání tzv. trichromatických souadných systém. Pvodn používaný trichromatický systém RGB založený na existenci tech spektrálních složek ervené, zelené a modré monochromatické barvy, byl transformován na praktijší systém XYZ. V praxi se používají rovinné systémy kolorimetrických souadnic, nap. x,y. Pro rzné úely byly dále odvozeny další obdobné systémy vyhovující nap. rovnomrným rozložením chromatinosti. Pro porovnávání barevných vlastností svtla se zavedl tzv. index podání barev, který popisuje vrnost podání kolority barev speciálních barevných vzork osvtlených testovaným svtlem vi svtlu referennímu. Referenní svtla mají specifické vlastnosti, které umožují reprodukovatelnost mení a používají se v kolorimetrii pro stanovení normál bílého svtla. 3.6 ešené píklady íklad 3.1: Výpoet XYZ souadnic Vypote trichromatické složky XYZ pokud znáte trichromatické složky RGB hodnot (1,23; 2,56; 3,18) ešení: Pro složku X mžeme dle konverzní matice vypoítat hodnotu X = 0,49*R+0,310*G+0,2*B = 2,0323. Obdobn postupujeme pro složky Y = 2, a Z = 3,1738.

34 3.7 Kontrolní otázky 1. Co je to barva, chromatinost a kolorita? 2. Jak lze míchat barevné podnty? 3. Co jsou to trichromatické souadné systémy? 4. V em jsou nevýhody systému RGB a XYZ? 5. Co je to index podání barev? 6. Jaké znáte referenní zdroje svtla? 7. Co je to teplota chromatinosti? 3.8 Neešené píklady íklad 3.2: Výpoet indexu podání barev Ra Vypote index podání barev Ra, pokud víte, že jednotlivé barevné vzorky mají tyto odchylky souadnic U, V, W od normalizovaného podntu:.v. Uo-Uk Vo-Vk Wo-Wk.v. Uo-Uk Vo-Vk Wo-Wk 1 1,64 1,70 2,12 8 1,23 1,65 2,85 2 1,30 2,84 1,85 9 1,16 1,55 0,06 3 1,76 0,84 1, ,74 1,70 1,00 4 0,24 2,35 2, ,25 2,34 2,86 5 2,25 2,99 2, ,24 0,88 0,92 6 2,97 0,26 1, ,60 2,06 2,83 7 0,20 1,14 0, ,90 1,37 1,64 4 Základní principy vzniku svtla. Elektrické zdroje svtla Cíle kapitoly: Úvod do problematiky elektrických zdroj svtla a jejich rozdlením dle druhu, popsány jsou zde základní vlastnosti a požadavky na svtelné zdroje. 4.1 Princip vzniku svtla Svtlo jako viditelná složka elektromagnetického záení o vlnových délkách v rozsahu cca nm mže vznikat nkolika zpsoby. V zásad rozlišujeme ti typy vzniku viditelného záení: - teplotní záení vyvolané vysokou teplotou emitujícího povrchu v souladu s Planckovým zákonem - záení elektrického výboje v parách kov a plynech - luminiscence pevných látek. Na základ tchto princip pracují v podstat všechny dnes vyrábné svtelné zdroje. Podle pvodu svtelného záení mžeme hovoit také o pírodních zdrojích (Slunce, blesk, Msíc) a umlých zdrojích svtla (nap. žárovka, výbojka, svítivá dioda, ale také svíka, plynová lampa apod.). Zdroje, kde svtelné záení pímo vzniká pemnou energie se nazývají primární nebo též prvotní, zdroje, kde svtlo je vyzaováno prostednictvím odrazu od povrchu se nazývají sekundární nebo-li druhotné. Z hlediska umlého osvtlení jsou

35 Svtelná technika 35 nejzajímavjší pedevším zdroje elektrické, transformující elektrickou energii na viditelné svtlo. 4.2 Druhy elektrických svtelných zdroj Podle vzniku svtla se elektrické svtelné zdroje v zásad dlí na zdroje teplotní a výbojové, které jsou bu nízkotlaké nebo vysokotlaké. Podrobnjší lenní je patrné z Obr Vznik svtla je podmínn vybuzením elementárních ástic. V teplotních zdrojích dochází prchodem elektrického proudu k zahátí vodivé pevné látky (kovu) na teplotu, pi které potebnou budící energii tvoí tepelný pohyb. Tato energie se pedává ásticím schopným vybuzení, které se tak stávají elementárními zdroji svtla. Látka, nap. vlákno žárovky, vysílá optické záení, jehož spektrum je spojité. teplotní žárovky vakuové plnné plynem klasické halogenové xenonové stabilizované stnou rtuové halogenidové vysokotlaké sodíkové stabilizované elektrodami elektrické svtelné zdroje výbojové výbojky s krátkým obloukem s velmi vysokým tlakem xenonové rtuové halogenidové rtuové sodíkové nízkotlaké s kladným sloupcem kompaktní záivky indukní výbojky luminiscenní Obr. 4.1 Základní rozdlení elektrických svtelných zdroj svítivé diody svítivé kondenzátory Výbojové svtelné zdroje (výbojky) jsou založeny na principu elektrického výboje v plynech a parách rzných kov a využívají pemnu elektrické energie na kinetickou energii elektron pohybujících se ve výbojovém prostoru. Pi srážkách elektron s atomy plyn a par kov se jejich energie mní na optické záení. Princip spoívá v tom, že srážka elektronu s atomem je dle zákona o zachování energie kompenzována zvýšením vnitní energie atomu a snížením kinetické energie elektronu. Excitovaný (nabuzený) atom v tomto nestabilním stavu dlouho nesetrvává a po krátké dob se vrací se zpt do základního stavu pi souasném vyzáení píslušného kvanta energie v podob fotonu. Spektrum záení výbojových zdroj je

36 árové, což vyplývá z existence pouze omezeného množství energetických stav píslušných prvk, které záení vyvolávají. Rozložení spektrálních ar závisí na druhu výboje i na složení plynné nápln. U nkterých výbojových zdroj (nap. u záivek) se využívá sekundární emise viditelného záení prostednictvím luminiscence pevných látek, proto bývají nkdy oznaovány jako tzv. luminiscenní zdroje. Luminiscence pevných látek je jev, pi nmž se z atom, molekul i krystal látky v podob foton vyzauje energie uvolnná pi samovolném návratu elektron do základní polohy z nestabilního vybuzeného stavu, kam se dostaly uritým vnjším vlivem. Je-li zmínné vybuzení vyvoláno elektrickým polem hovoí se o luminiscenci, na jejímž principu jsou založeny svítící kondenzátory elektroluminiscenní panely. Je-li vybuzení zpsobeno dopadajícím záením, jde o fotoluminiscenci a je-li zpsobeno radioaktivním záením mluvíme o radioluminiscenci. Napíklad u záivek se pevážn ultrafialové záení nízkotlakého rtuového výboje transformuje ve vrstv luminoforu nanesené na vnitní stnu trubice na viditelné záení. Jelikož elektrony se mohou pohybovat jen ve zcela uritých drahách, z nichž každé odpovídá uritá energetická hladina, mže mít vyzáený foton rovnž pouze urité hodnoty energie. Dle Planckova zákona je taková energie vyzáena na pesné vlnové délce. Luminiscenní záení proto obsahuje pouze urité spektrální áry charakteristické pro danou látku. 4.3 Požadavky na svtelné zdroje a jejich vlastnosti Parametry svtelných zdroj lze rozdlit na technické a provozní. Podle parametr svtelného zdroje lze posoudit jeho kvalitu a úinnost. Mezi nejvýznamnjší parametry patí zejména: - jmenovité naptí - jmenovitý píkon - svtelný tok zdroje - životnost svtelného zdroje - index podání barev a teplota chromatinosti - rozmry a tvar patice zdroje. Jmenovité naptí pedstavuje základní elektrický parametr, nebo uruje na jaké naptí lze svtelný zdroj pipojit. Výhodné je zejména naptí síové 230V ale není výjimkou použití zdroj i na menší naptí, nap. 24 a 12V zejména u halogenových žárovek. Použití malého naptí u žárovek zvyšuje jejich životnost, nebo dovoluje použít pro stejný výkon zdroje vlákna vtšího prru. U výbojek je jmenovité naptí komplikovanjší záležitostí, nebo výbojky nelze nikdy ímo pipojit na zdroj naptí bez pedadného prvku. U výbojek a záivek se tedy uvádí naptí na výbojce, které je vtšinou menší než naptí síové a to o nkolik volt až desítek volt. Rozdíl naptí sít a naptí na výbojce tvoí úbytek na pedadníku. Je však teba si uvdomit, že se jedná o fázory, které nemusí mít stejnou fázi (nap. u indukních pedadník, které se používají nejastji) Jmenovitý píkon je uvádn ve wattech a uruje inný píkon zdroje. U žárovek je tento íkon ist reálný bez induktivní a kapacitní složky. U výbojových zdroj je skutený celkový píkon zdroje vyšší o ztráty v pedadném prvku. Tyto ztráty se pohybují do 15-20% jmenovitého píkonu zdroje.

37 Svtelná technika 37 Svtelný tok zdroje je uvádn jako jmenovitá hodnota toku po tzv. zahoení zdroje. Standardní doba stabilizace svtelného toku u výbojek se pohybuje okolo 100 hodin. U žárovek se poítá doba zahoení asi 5-10% jmenovité doby života, záivky a vysokotlaké rtuové výbojky pak minimáln 200 hodin. Svtlený tok je po této dob ustálen a dosahuje katalogové hodnoty pi jmenovitém napájecím naptí s dovolenou tolerancí v ádech jednotek procent. Svtelný tok a píkon svtelného zdroje urují úinnost zdroje. Úinnost u svtelných zdroj popisujeme tzv. mrným výkonem zdroje, což je podíl vyzaovaného svtelného toku a elektrického píkonu zdroje. Vyjaduje se tedy v lumenech na watt (lm.w -1 ). Pehled o dosahovaných hodnotách mrného výkonu u nejbžnjších zdroj uvádí Obr Obr. 4.2 Mrné výkony typických zdroj svtla v souasné dob rný výkon zdroj se tedy pohybuje v rozmezí lm/w. Jednotlivé svtelné zdroje však pi této úinnosti poskytují rzné svtelné vlastnosti co se týe spektrálního složení. Zatímco žárovky poskytují pi velmi malé úinnosti spojité spektrum teplotního záení s prakticky nejvyšším indexem podání barev, nízkotlaké sodíkové výbojky pi svém nejvyšším mrném výkonu ze všech zdroj, mají podání barev nejhorší. To je zpsobeno zejména absencí nebo nízkým zastoupením záení s bohatým spektrem, které se u výbojek omezuje na oblasti spektrálních ar a jejich okolí. Kompromisem se tak stávají pedevším lineární záivky a kompaktní s velmi dobrým podáním barev i mrným výkonem a halogenidové výbojky s rovnž velkým mrným, ale i absolutním výkonem a dobrým podáním barev. Základními požadavky na svtelný zdroj jsou dále vedle tchto vzpomenutých výkonových a spektrálních parametr požadavky na vzájemnou kompatibilitu svtelných zdroj od rzných výrobc. Zdroje se tak vyrábjí ve standardních výkonových a napových adách a pro danou technologii zdroje jsou vzájemn zamnitelné, co se týe elektrického ipojení, tj. zdroje rzných výrobc mohou používat pedadné pístroje a startovací obvody jednoho typu dle píslušné tídy zdroj. Dalším sledovaným parametrem je životnost zdroje, která uruje pedevším budoucí provozní náklady na výmnu zdroj a tedy i provoz osvtlovací soustavy. Spole s tímto parametrem lze sledovat i ekologické požadavky výroby a likvidace již vyhoelých zdroj.

38 Životnost zdroje se posuzuje podle tzv. doby technického života, což je doba, za kterou ibližn polovina svtelných zdroj reprezentativní skupiny bude funkní a druhá polovina svj technický život ukoní. Urit konec života zdroje není jednoznané, nebo konec nenastává ve vtšin pípad rázov (krom žárovek, kde pepálení vlákna definitivn zdroj vyadí z innosti). U svtelného zdroje, zejména výbojek a záivek, dochází k postupnému poklesu svtelného toku a zm elektrických parametr. Pokud pokles svtelného výkonu dosáhne ekonomicky neúnosné hranice je teba jej vymnit i když by zdroj prakticky ješt fungoval. V praxi se mže jednat o pokles na cca 80% jmenovitého svtleného toku. Index podání barev popisuje vrnost vnímání barev pi osvtlení daným svtelným zdrojem. Nejvyšší hodnota je 100 a nejnižší 0. Pro výpoet indexu podání barev se používá referenních barevných vzork a srovnávacích zdroj svtla (žárovky, teplotní záení, denní svtlo), viz. kapitola Z hlediska všeobecné hygieny nesmí svtelný zdroj vysílat záení negativn psobící na organismus (pedevším nebezpené UV záení), nesmí zpsobovat vznik škodlivých plyn a par ani nesmí ohrožovat bezpenost lidí. Z hlediska stability svtelného toku je pak žádoucí, aby svtelný zdroj produkovat i pi napájení stídavým proudem pokud možno nekolísající svtelný tok, který nenarušuje zrakovou pohodu. Posledním významným hlediskem pak mže být cena svtelného zdroje, která by mla být posuzována komplexn s dalšími parametry tedy zejména úinnosti zdroje, náklady související s ekologicky šetrnou likvidací. Zejména u zdroj obsahujících rtu je toto významné, nebo se uplatují písná legislativní opatení pro nakládání s rizikovým odpadem. Vyhoelé svtelné zdroje je teba odevzdat k likvidaci odborné firm a o této likvidaci vést záznamy (poet kus, hmotnost vyazených zdroj apod.) Odborná firma provádí ástenou recyklaci vyhoelých zdroj odlouením škodlivých ástí a vrácením použitelných druhotných surovin (sklo, kovy) zpt do výrobního procesu. Takto lze likvidovat nap. záivky a výbojky, zejména s obsahem rtuti. 4.4 Shrnutí kapitoly Elektrické zdroje svtla patí k velice rozšíené skupin spotebi elektrické energie a vyrábjí se dnes v nepeberné škále typ a výkonových ad. Pro praktické aplikace se využívá zejména zdroj teplotních, kde záení vzniká buzením tepelným psobením protékajícího proudu, a zdroj výbojových, kde záení vzniká v dsledku srážek elektron s atomy par kov a plyn ve výbojovém prostoru. Zvláštním pípadem je luminiscence, která se používá u záivek pro transformaci krátkovlnného UV záení na viditelné záení prostednictvím luminoforu. Mezi hlavní vlastnosti svtelných zdroj patí mrný výkon, technický život, napájecí naptí a píkon. Od svtelného zdroje vyžadujeme vysokou úinnost pemny elektrické energie na svtlo pi souasném dobrém spektrálním složení, umožujícím správné rozlišení barev. V neposlední ad jsou dležitá i hlediska ekonomická a ekologická, která urují další ípadný výbr svtelných zdroj. 4.5 Kontrolní otázky 1. Co jsou to primární zdroje svtla? 2. Jaké je základní rozdlení elektrických zdroj svtla? 3. Co je to mrný výkon svtelného zdroje? 4. Jaký je základní soubor vlastností svtelného zdroje?

39 Svtelná technika Jaké požadavky jsou pi výbru svtelných zdroj zohledovány? 5 Teplotní zdroje svtla Cíle kapitoly: Konstrukce a vlastnosti žárovek, principy regenerace vlákna u halogenových žárovek, elektrické a svteln technické vlastnosti, použití žárovek v praxi. Jak již bylo eno v pedchozí kapitole, jedním ze základních princip vzniku svtla je teplotní záení pevných látek. Tento princip využívají historicky nejstarší používané zdroje svtla žárovky. Historie žárovky spadá ješt nkolik desítek let ped Edisonv revoluní svtelný zdroj. Edison, pestože nebyl jediný, kdo funkní žárovku zkonstruoval, však jako první dokázal uvést tento zdroj svtla k životu a vytvoit potebnou infrastrukturu pro její provoz. Vznikly první mstské elektrárny, které vyrobily dostatek elektrické energie pro napájení prvních sériov vyrábných žárovek a tím byl zahájen dlouhý proces neustálého rozvoje elektrotechniky ale i ostatních obor, ale pro nás nejvýznamnjší techniky svtelné. Významné technologické objevy však svtelnou techniku teprve ekaly. 5.1 Klasické žárovky O prvé žárovce z roku 1820 se zmiuje De la Rué, který použil žhavený platinový drát ve vzduchu umístný ve sklenné trubici. O 20 let pozdji De Moleyns zatavil platinový drát do sklenné trubice se zedným vzduchem. Tento systém si dal v roce 1841 patentovat. V roce 1848 bylo použito platinoiridiové vlákno umístné ve vakuu a v téže dob se objevují první zmínky o použití uhlíku ve form tyinky ve vakuové bace. Kusová výroba žárovek s uhlíkovým jádrem v druhé polovin 19. století jasn pedila žárovky z drahých kov, nebo jak úinnost tak cena byla výrazn lepší ve prospch uhlíku. Uhlíkové vlákno se získávalo nejastji zuhelnatním organických vláken. Edison v roce 1879 použil zuhelnatlou bavlnnou nit a vytvoil konstrukci svtelného zdroje, který nejen svítil ádov desítky hodin, ale byl doplnn i nutnou podporou dalších komponent patice, kabely, vypínae, generátory, rozvody elektrické energie. Žárovka se zaala vyrábt sériov ve velkém množství. Nernst v roce 1897 žhavil tlísko zhotovené z oxid vzácných zemin na bázi zirkonia a yterbia, pemž vycházel z pvodní Jablokovi myšlenky z roku 1876, kdy si nechal patentovat elektrický zdroj svtla na bázi kaolinového tlíska žhaveného na vzduchu. Nernstova tyinka byla za normální teploty nevodivá a musela se do provozního stavu dostat ohátím pomocným platinovým vinutím. Vysokotavitelné kovy byly poprvé použity až Auerem, který v roce 1902 sestrojil žárovku z osmia (teplot tání 2700 o C), pozdji Bolton v roce 1905 použil vlákno tantalové (teplota tání 3000 o C) a r Coolidge poprvé vlákno z taženého wolframu s teplotou tání 3300 o C. Od té doby je wolfram dominantním prvkem pi výrob žárovek a to nejen díky vysoké teplot, ale i pomalému procesu odpaování pi vysokých teplotách. Další zdokonalování žárovek bylo realizováno náhradou pvodn rovného vlákna vláknem stoeným do spirály. Dále se místo vakua zaaly používat plynné nápln. Další inovací bylo použití dvojit vinutého vlákna ve tvaru dvojité šroubovice a plnící plyny se zaaly vhodn míchat, nap. dusík se smsí kryptonu, argonu nebo xenonu. Tab. 5.1 Vlastnosti wolframu

40 Teplota K rný odpor cm Rychlost odpaování g.s -1.cm -2 rný výkon lm/w 273 5, , , , , , ,9 6, ,4 1, , ,6 1, , ,9 7, , ,5 3, , ,7 7, , ,0 9, , ,5 8, , ,0 6, , ,0 50, Konstrukce žárovky Nejbžnjší konstrukce žárovky je uvedena na obrázku Obr Podprné háky Baka Vlákno Nosné ívody ka Tyinka Tmel Patice s E závitem Izolace patice Plášový drát erpací trubika Tavná pojistka Stedový kontakt Obr. 5.1 Žárovka a její konstrukní ásti

41 Svtelná technika 41 Obr. 5.2 Detail wolframového dvojit vinutého vlákna s pechodem pívodního drátu a podprným hákem Wolframové vlákno tvoí klíovou souást žárovky. Je zdrojem teplotního záení, které obsahuje ást viditelného svtla, ostatní záení je pevážn v oblasti infraervené. Výroba wolframového vlákna je pomrn složitá, nebo jen zpracování vhodného drátu pro výrobu dvojit vinuté spirály je nkolika krokový postup, kdy se wolfram postupn zušlechuje až do konené podoby drátu o prru jen nkolik desítek mikrometru. Jeho pevnost je v tomto stavu až 2 krát vtší než ocelové struny. Prvotní surovina pro výrobu wolframu je kysliník wolframu, který se redukcí epracuje na istý wolfram ve form jemného prášku, slévat se dá jen velmi obtížn. Takto získaný wolfram je natolik kehký, že se nedá prakticky nijak dále zpracovávat. Pomocí technologie práškové metalurgie se ze získaného prášku se pod tlakem lisují tyinky o velikosti nap. 10x10x350mm. Kehká tyinka se zaheje až na 1400 o C, ímž dojde k ástenému spojení zrn (polospékání, polosintrování). Poté se tyinka upne mezi kontakty a prchodem proudu se žhaví až na 3100 o C v ochranné atmosfée H. Dojde k ástenému smrštní, ale i nadále je tento materiál kehký, pestože získal již kovový vzhled. Tento ingot se dále zahívá a pi teplot asi o C se pomocí speciálních kovacích stroj vykovává na menší prez s postupným snižováním teploty. Kováním se jednotlivé krystaly prodlužují a vzniká vláknitá struktura. Vykovaný drát je již pružnjší a ohebnjší a konený prr iní cca 1-2 mm a je možné jej táhnout za tepla. Další zpracování je již obdobné jako u klasických drát. Se snižujícím se prrem klesá teplota a vlasové dráty je možné táhnout za studena. Tažítka musí být vyrobena z diamantu, nebo wolfram je velice tvrdý. Pro žárovky se používá vláken do prru 15 m. Z tchto vláken se vinou spirály na železný nebo molybdenový drát (tzv. jádrový drát) a vyžíhají se ve vodíkové atmosfée. Jádro se odstrauje vyleptáním v kyselin dusiné a solné. Molybdenový drátek používá se na podpírání wolframového vlákna. Molybden má vysokou teplotní odolnost a je mí než wolfram proto se dá snadnji tvarovat do podoby há, pérek a oek. Výroba Molybdenu je obdobná jako u wolframu, používá se však nižších teplot. ívodní dráty se skládají vtšinou ze tí ástí. Vnjší ást pipojená k patici bývá z mdi nebo bronzu. U žárovek plnných plynem, kde slouží jako tavná pojistka se vyrábí z monelu, slitiny niklu a mdi s pímsí železa a manganu. Stední ást se zatavuje do skla a proto musí mít stejnou teplotní délkovou roztažnost jako sklo, jinak vzniká velké pnutí a možnost vzniku netsnosti. Díve používaná platina byla nahrazena dnes používanými plášovými dráty. Ty mají duši z železo-niklové slitiny (42% Ni, 58% Fe) na které ne tvrdou pájkou pipájen mný pláš. Jádro má menší roztažnost než sklo a pláš vtší. Jako celek však má podobnou roztažnost jako sklo. M se dokonale spojuje se sklem, nebo ne jejím povrchu se vytváí oxid mdi Cu 2 O, který se ve skle rozpouští, ímž vzniká vzduchotsný spoj.

42 Vnitní ást pívodního drátu je vtšinou z niklu, který je dobe ohýbá, nýtuje i sváí, není náchylný na oxidaci a dá se lehce zbavit pohlcených plyn. Sklenné ásti žárovka obsahuje hned nkolik ástí ze skla. Baka se vyrábí ze skla vápenato-honatého. Mdlené baky se zevnit leptají kyselinou fluorovodíkovou. Ostatní ásti ze skla tvoí tzv. patku a vyrábjí se z olovnatého skla. Patka se skládá z talíku, tyinky a erpací trubiky. Olovnaté sklo se volí díky jeho nízké elektrické vodivosti i pi vyšší teplot (1000 krát menší než obyejné sklo). Proto nedochází k elektrolýze mezi pívodními dráty. Pro žárovky vysoce tepeln namáhané, nap. promítací, sušicí, vysokowatové se užívá tvrdého skla nap. olovnato-boritého. Plynná nápl. Pro ochranu wolframového vlákna se v souasných žárovkách používá plynná nápl, které je vi vláknu netená nebo psobí pouze nepatrn. Používá se tedy zejména dusík, neon, argon, krypton, xenon. Z hlediska tepelných ztrát je nejvýhodnjší X a Kr. Oby tyto plyny jsou však pomrn drahé, nebo jejich koncentrace ve vzduchu je velice malá ( ). Kr má pomrn malou elektrickou pevnost (i argon) a mohly by vznikat mezizávitové výboje i zkrat. Proto se pidává do prostoru dusík (10-14%). Tlak plynu je za studena asi 80kPa stoupá za tepla až na 100kPa. 5.2 Halogenové žárovky Obyejné žárovky se potýkají se dvma základními problémy nízká doba života a nízký mrný výkon. Mrný výkon lze zvýšit zvýšením teploty vlákna. Tím se ale život žárovky ješt více zkracuje díky rychlému odpaování wolframu. Neexistuje zpsob, jak odpaování vlákna zabránit, lze jej však áste omezit. Odpaený wolfram se usazuje na vnitním povrchu baky a zpsobuje jeho ernání. V roce 1959 se objevili první zprávy o žárovkách u nichž se do plnícího plynu pidával jód s cílem zamezit ernání baky a snížit tak pokles svtelného toku bhem života. Tyto pokusy se objevily již díve, konily však neúspchem, nebo reakce halogen s materiály uvnit baky (pedevším pívody) zpsobily následnou kondenzaci halogen na chladnjším míst baky. Teprve nová konstrukce žárovek, která umožnila použití pracovní teploty baky nad 250 o C a vylouení všech materiál, které by mohly reagovat s halogeny znamenalo praktické využití tzv. halogenového regeneraního cyklu. W + 2Br WBr 2 Obr. 5.3 Halogenový regeneraní cyklus Halogenové prvky, zejména brom a jód, které se aplikují v malých dávkách do plynné nápln žárovek, reagují s wolframem a vzniká halogenová slouenina, bromid, nebo jodid wolframu. Molekuly halogenidu se pohybují ve smru proti gradientu teploty. V blízkost vlákna za psobení vysoké teploty dochází k disociaci molekul halogenidu a k oddlení

43 Svtelná technika 43 wolframu a halogenu. Tím se zvyšuje koncentrace par wolframu v blízkosti vlákna a snižuje se proces jeho dalšího odpaování. Uvolnné atomy halogenu putují zpt k bace, kde se mohou úastnit dalších reakcí. Obr. 5.4 Halogenové jednostiskové žárovky a žárovka s dichroickým reflektorem Obr. 5.5 Halogenová žárovka dvoustisková Aby halogenový regeneraní cyklus probíhal, je teba zajistit dostatené teploty konstrukních ástí žárovky. Proto se nedoporuuje halogenové žárovky stmívat nebo provozovat na nižším naptí než jmenovitém. Pokud ke stmívání dochází, je vhodné obas provést provoz na plný výkon, kdy se odpaený wolfram usazený na bace opt zregeneruje. Nicmén optimálního stavu tímto dosaženo není. U žárovek na malé naptí je poteba poítat s vyššími odbrovými proudy pi stejném výkonu jako u žárovek na nízké naptí. Tyto proudy zpsobují vyšší úbytky naptí na ívodních vodiích. Z toho dvodu se volí pívodní vodie dostate tlusté, aby úbytek naptí nepesáhl 3% jmenovité hodnoty. 5.3 Shrnutí kapitoly Teplotní zdroje svtla pes svoji nízkou úinnost mají stále hojné zastoupení ve svtelné technice a i do budoucna je teba s nimi poítat. Dvodem je pedevším nízká cena a snadné ipojení na napájecí sí. Konstrukce žárovky byla vylepšena pidání halogenových prvk, které zajišují regeneraci vlákna, ze kterého se pi vysokých teplotách odpauje wolfram. V tzv. halogenovém regeneraním cyklu se odpaený wolfram sluuje s halogenem a vzniklý halogenid wolframu se vrací zpt k vláknu (ve smru snižující se koncentrace této sloueniny) a zde se rozkládá zpt na komponenty. Výsledkem je prodloužení technického života a zvýšení mrného výkonu se souasným potlaením ernání baky. U žárovek na malé naptí je teba správn nadimenzovat pívodní vodie, nebo protékající proud je až 10x vtší než u stejného píkonu žárovek na nízké naptí. Zvýšený úbytek naptí by znamenal pokles výkonu žárovky a také zhoršení regenerace vlákna. 5.4 Kontrolní otázky 1. Jaká je základní konstrukce žárovky? 2. Co je to halogenový regeneraní cyklus? 3. Jaké materiály se používají pi výrob žárovek?

44 4. Jak lze dosáhnout vyššího mrného výkonu žárovek? 5. Jaká je prrná životnost klasických plynem plnných žárovek? 6 Výbojové zdroje svtla Cíle kapitoly: Vznik výboje v plynech, záivá energie výbojového sloupce, princip výbojek, uspoádání výbojových prostor a konstrukce výbojek, vysokotlaké a nízkotlaké výbojky, vnjší zapojení výbojek. Výbojové zdroje svtla jsou založeny na principu elektrického výboje v plynech nebo parách pevných látek, vtšinou kov. Elektrický výboj je svým charakterem nestabilní a se vzrstajícím proudem klesá naptí na výboji. To má za následek zvýšení ionizace a další zvyšování proudu a pokles naptí. Z toho dvodu je nutné do obvodu výbojky zaazovat omezující prvek, který zajistí stabilizaci elektrických parametr do oblasti pracovního bodu. Další odlišností oprati žárovkám, je charakteristický proces startu výbojky, kdy plného výkonu nedosahují okamžit ale až po urité dob, která mže init i nkolik minut až desítek minut. K zapálení výboje je pitom ve vtšin pípad nutné zvýšené nebo vysoké naptí generované speciálními startovacími obvody. 6.1 Nízkotlaké výbojky Nízkotlaké výbojky tvoí díky zastoupení záivkami (lineárními a kompaktními) velice rozsáhlou skupinu zdroj, jež se používají jak pro vnitní, tak pro venkovní osvtlení. V zásad lze použít dva druhy nízkotlakého výboje v parách sodíku a v parách rtuti. Jelikož nízkotlaký výboj v parách rtuti generuje pedevším záení v UV oblasti, je nutná transformace do viditelné oblasti pomocí luminoforu. Nízkotlaké rtuové výbojky tedy v sob spojují princip výbojového a luminiscenního zdroje svtla. Sodíková nízkotlaká výbojka naopak generuje tém monochromatické záení ve viditelné oblasti a to v blízkosti maxima spektrální citlivosti oka. Tlak par v nízkotlakých výbojkách se pohybuje v jednotkách Pa a mén. Parametry výboje výrazn ovlivuje teplota, která mní parciální tlak par kov. Tyto výbojky jsou proto pomrn citlivé na zmny teploty a pi nízkých teplotách se také he startují Záivky Jak již bylo eno, záivka patí do skupiny nízkotlakých výbojek založených na principu výboje v parách rtuti. Sklenná trubice protáhlého tvaru je plnna plynem (nejastji Argon) do kterého se pidává malé množství rtuti (okolo 3-5mg). Trubice je na obou koncích zakonena elektrodovou ástí. Elektrody z emisní hmoty zásobují výbojový prostor volnými elektrony, které pi prletu trubicí narážení na atomy vypaené rtuti. Srážka elektronu s atomem znamená absorpci kinetické energie elektronu a nabuzení atomu rtuti. Nabuzený atom se vrací do své stabilní polohy s vyzáením kvanta záení na specifických spektrálních arách, pemž dominantní jsou áry 253,7 nm a 185 nm.

45 Svtelná technika 45 Nožka Kolíky Vlákno elektrody Rtu Obr. 6.1 Elektrodový prostor záivkové trubice erpací trubika Obr. 6.2 Startéry pro záivky klasický doutnavkový startér a elektronický startér Záivka, stejn jako ostatní výbojové zdroje, se z elektrického hlediska chová jako elektrický oblouk, tj. má nelineární klesající VA charakteristiku. Pi zvyšování proudu klesá naptí na výboji a tím dochází k dalšímu nárstu proudu. Proto musí být obvod výboje stabilizován a omezen pedadným prvkem tzv. pedadníkem, v nejjednodušším pípad tlumivkou. Zapojení standardní záivky s klasickým indukním pedadníkem a doutnavkovým startérem je na obrázku Obr L N Obr. 6.3 Klasické zapojení lineární záivky s indukním pedadníkem a doutnavkovým startérem Startér z Obr. 6.2 pracuje na jednoduchém principu spínání bimetalového kontaktu, který je ohíván teplem doutnavého výboje. Pokud je na kontaktech startéru síové naptí (ped vlastním startem záivky), pak doutnavý výboj oheje kontakty bimetalu a ty se deformací spojí. Za dobu než se ochladí a znovu rozpojí prochází jimi proud, který jednak ohívá žhavicí elektrody záivky a jednak budí magnetický obvod tlumivky. Po rozpojení kontakt startéru je zmna elektrického proudu tlumivkou zárove zmnou jejího buzení, která znamená opanou zmnu magnetického toku jádrem tlumivky (mg tok bude rychle klesat). Rychlá zmna toku zpsobí indukci vysokého naptí na svorkách tlumivky a toto naptí v soutu se síovým naptím okamžité hodnoty se objeví na opaných koncích záivky, tedy mezi elektrodami. Pokud je dostate velké, dojde k zapálení výboje. Tento dj se mže kolikrát opakovat, dokud výboj nezane hoet stabiln. Startovací dj mžeme také stru

46 vysvtlit jako snahu tlumivky zachovat pvodní smr a velikost proudu, který najde cestu obvodem výboje záivky místo pvodní cesty pes žhavicí elektrody a startér. Výsledkem výboje je snížení naptí na záivce pod hranici doutnavého výboje startéru, tj. startér již znovu není schopen sepnout, záivka svítí až do perušení vnjšího obvodu vypínaem Kompaktní záivky Základní nevýhodou lineárních záivek je jejich rozmrnost a komplikované pipojení do obvodu pes dv patice. Tuto nevýhodu eší kompaktní provedení záivek, které jsou konstruovány tak, aby vývody z výbojového prostoru byly provedeny na jedné stran. Tím je zajištno, že záivku lze zasunout do jediné patice, což je z hlediska konstrukce svítidla a ipojení pívod jednodušší ešení. Konstrukce je dosaženo stoením výbojové trubice do tvaru U. Pro zvýšení výkonu lze spojit více takových výbojových prostor do jednoho celku. Obr. 6.4 Kompaktní záivky jednotrubicová, títrubicová Záivky v tykolíkovém provedení se pipojují stejným zpsobem jako záivky lineární. Tj. musí být doplnny startérem a pedadníkem, pípadn kompenzací. Zjednodušení pipojení nabízí konstrukce dvoukolíková, která v sob integruje záivku vetn zapalovae (startéru). Zapalova bývá umístn v prostoru patice a dva kolíky jsou vnit propojeny k tomuto zapalovai. Zbývající dva kolíky jsou vyvedeny ven, jeden kolík je ipojen sériov k tlumivce a druhý ke stednímu vodii. Další zdokonalení kompaktní záivky pinesla firma PHILIPS, která do jednoho pouzdra integrovala i indukní tlumivku (Obr. 6.5). Obr. 6.5 Kompaktní záivka s vestavným indukním pedadníkem Vývoj elektroniky, požadavky na snížení ztrát, velikosti a hmotnosti vedly k vývoji kompaktních záivek s vestavným elektronickým pedadníkem. Konstrukce pedadník jsou na Obr. 6.6.

47 Svtelná technika 47 Vstupní filtraní kondenzátor Vysokofrekvenní transformátor Spínací tranzistory Obr. 6.6 Elektronické pedadníky V souasné dob jsou kompaktní záivky nabízeny v ad variací provedení, tvar a výkon. Rozlišují se záivky ekonomického, standardního a profesionálního provedení, které nabízejí rznou délku technického života. Kvalitní kompaktní záivky obsahují elektronické edadníky s kvalitním PFC (Power Factor Correction) obvodem a s úinnou filtrací vyšších harmonických složek proudu. Obr. 6.7 Kompaktní záivky s elektronickým pedadníkem Nízkotlaké sodíkové výbojky i tlaku par sodíku 0,5 1 Pa vzniká v elektrickém výboji záení vlnové délky 589,0 a 589,6 nm. Tato dvojára, nazývaná též. sodíkový dublet, vytváí tém monochromatický zdroj svtla s velice špatným podáním barev. Díky absenci ostatních vlnových délek prakticky není možné rozlišovat žádné barvy, index podání barev je roven 0. Výbojový prostor je plnn neonem a znaným množstvím sodíku, který se zane odpaovat až po urité dob provozu vlivem zvýšení teploty uvnit výbojky. K zapálení je poteba naptí okolo 450V a proto se k elektrické síti pipojují nap. pes rozptylový transformátor. Barva svtla se mní z oranžov ervené pi startu na jasn žlutou. Nábh do provozního stavu trvá 10 až 15 minut, teplota hoáku dosáhne až 300 o C. Výbojová trubice bývá upravena bu do tvaru U a nebo jako lineární s vývody na obou stranách (starší

48 provedení). Pro stabilizaci teplotních pom v podélném smru trubice se vkládá do izolaní sklenné vakuované baky. Nízkotlaké Na výbojky jsou vyrábny v adách 18, 35, 55, 90, 135, 180W (ada výbojek SOX Osram) nebo 26, 36, 66, 91, 131W (ada výbojek SOX-E). Energeticky patí tyto výbojky k nejúinnjším zdrojm svtla, nebo jejich mrný výkon dosahuje hodnoty až 200 lm.w -1 (výbojka 131W má svtelný tok lm). To je dáno blízkostí áry 589 nm k maximu úinnosti optického záení 555 nm. Nicmén díky monochromatickému charakteru svtla se tyto výbojky hodí pouze k navýšení celkového osvtlení, zdraznní kontrast. Používají se nap. u výpadových silnic a dálnic, v R spíše ojedinle. V zahranií jsou rozšíené zejména v zemích Beneluxu a Velké Británii. Jejich další výraznjší rozvoj a rozšíení, i pes vysoký mrný výkon, nelze oekávat. Obr. 6.8 Nízkotlaká sodíková výbojka 6.2 Vysokotlaké výbojky Vysokotlaké výbojky se vyznaují zvýšeným tlakem plyn a par ve výbojovém prostoru, který se pohybuje až do ádu 10 5 Pa. U výbojek s extrémním tlakem (výbojky s krátkým obloukem) pak ješt tém o dva ády více (až 5000 kpa) Vysokotlaké sodíkové výbojky O vysokotlaké NA výbojky je svtlo produkováno prchodem elektrického proudu pes sodíkové páry pi zvýšeném tlaku. Výbojový prostor (hoák) je konstruován ze speciálního polykrystalického oxidu hlinitého Al 2 O 3, který je odolný vi agresivnímu sodíku pi vysokých teplotách a má vysoký bod tání. Akoliv se jedná o materiál prsvitný, jeho propustnost dosahuje velice dobré hodnoty 90 %. Polykrystalický korund nemže být pímo spojen s kovem, proto se používá speciálních prchodek pro pivedení elektrod do prostoru hoáku. Používají se pájky skelné nebo kovové popípad keramické prchodky. Výbojová trubice obsahuje xenon jako startovací plyn a malé množství sodíkortuového amalgámu, který je áste vypaen jakmile dosáhne výbojka provozní teploty. Rtu psobí jako zásobník plynu pro zvýšení tlaku a pracovního naptí výbojky. Hoák je uzaven do vnjší baky z borosilikátového skla s vyerpáním prostoru pro ochranu chemického psobení na výbojový hoák a ostatní kovové ásti. Evakuace také pomáhá udržovat teplotu hoáku izolací od okolního prostedí. Baka se vyrábí v irém nebo matovaném provedení pro snížení jasu svtelného zdroje.

49 Svtelná technika 49 Patice Baryový getr Amalgám sodíku Korundový hoák Skelná pájka Niobová prchodka Elektrody Vnjší baka Nosný rámeek Obr. 6.9 Vysokotlaká sodíková výbojka tšina výbojek pracuje nezávisle na poloze, poloha nemá vážný vliv na výstupní svtelný výkon. Vysokotlaká Na výbojka vyzauje energii podél viditelného spektra oproti monochromatickému svtlu nízkotlaké Na výbojky. Standardní vysokotlaká Na výbojka s tlakem sodíku v rozsahu 5-10 kpa (40-75 Torr) dosahuje typické teploty chromatinosti K s indexem podání barev 22. Pi vyšším tlaku, okolo zhruba 27 kpa vyzaování D áry (sodíkový dublet) je absorbováno zptn plynem a je vyzaováno jako spojité spektrum na obou stranách D áry. To zpsobuje ztmavení oblasti okolo 589 nm, viz. Obr Zvýšení tlaku sodíku zvyšuje index podání barev až na Ra 65 se souasným zvýšením náhradní teploty chromatinosti. Ovšem životnost a úinnost výbojky se snižuje. Bílé vysokotlaké sodíkové výbojky byly vyvinuty s náhradní teplotou chromatinosti K s Ra mezi Druhou metodou jak zvýšit podíl ostatním vlnových délek je provoz na vysoké frekvenci pi sníženém tlaku sodíku. Mrný výkon vysokotlakých sodíkových výbojek se pohybuje v rozmezí lm.w -1 v závislosti na píkonu a požadovaném indexu podání barev. 5Torr = 0, 66661mPa 30Torr = 4kPa 240Torr = 32 kpa Obr Zmna spektra sodíkové výbojky pi zm tlaku ve výbojovém prostoru

50 Obr Spektrum vysokotlaké sodíkové výbojky SON s vyšším indexem podání barev Díky malému prru hoáku se nepoužívá startovací elektroda jako u rtuových výbojek. Místo ní se používá vysokonapový vysokofrekvenní puls generovaný zapalovaem. Nkteré speciální vysokotlaké výbojky používají speciální startovací plynnou sms (kombinaci argonu a neonu, která vyžaduje nižší startovací naptí než plyny samotné) a pomocné startovací zaízení uvnit vnjší baky. Tyto výbojky mohou pracovat bez vnjšího zapalovae na pedadnících urených pro adu rtuových vysokotlakých výbojek. Toho se využívá pi náhrad zdroj ve stávajících svítidlech pro dosažení energetických úspor. žné Na výbojky je nutné provozovat v obvodu s tlumivkou a vhodným zapalovacím zaízením, které vyhovuje mezinárodním normám IEC z hlediska rušivých vliv. Schéma zapojení je uvedeno na Obr Tlumivka Zapalova Výbojka L Kompenzace N Obr Zapojení vysokotlaké sodíkové výbojky Rtuové výbojky Podobn jako u sodíkových výbojek, zvyšování tlaku rtuových par a zvyšování proudové hustoty posouvá maximum vyzáené energie smrem k vtším vlnovým délkám a vzniku spojitého spektra, jehož intenzita s rostoucím tlakem rovnž roste. Hlavní podíl na záení mají nerezonanní áry, z nichž 4 velmi intenzivní vyzaují viditelné oblasti ( , 436, 546 a 577 nm). rný výkon se pohybuje v rozmezí lm.w -1, pemž spektrum neobsahuje ervenou složku svtla, což zhoršuje podání barev. Z toho dvodu se rtuové výbojky píliš nehodí na osvtlování interiér. Podání barev lze zlepšit prakticky temi zpsoby: a) transformace ultrafialového záení pomocí luminoforu do oblasti ervené barvy (rtuové výbojky s luminoforem) b) pidání žhaveného vlákna dovnit vnjší baky do série s hoákem, ímž vznikne teplotní záení jako u žárovky kombinované s modrozeleným záením rtuti (smsové výbojky) c) pidáním vhodných pímsí do rtuového výboje, které svým záením doplují spektrum rtuti o chybjící áry ve viditelném spektru. Jako nejlepší se jeví kovy jako sodík, thalium, indium, pop. kovy vzácných zemin, které vyzaují velmi husté árové spektrum v

51 Svtelná technika 51 celé viditelné oblasti. Kovy jsou pidávány v podob píslušných halogenid (halogenidové výbojky). Rtuové výbojky s luminoforem obsahují výbojový prostor z kemenného skla do nhož jsou zatavením umístny dv hlavní wolframové elektrody a obvykle jedna pomocná startovací elektroda umístná na jednom konci blízko elektrody hlavní. Prchodku tvoí molybdenová fólie. Elektroda je pokryta emisní vrstvou na bázi oxid barya, stroncia a vápníku s pípadn dalšími pímsemi zvyšujícími emisní schopnosti elektrody. Do hoáku je umístn argon a pesné množství rtuti, které pi provozním naptí dosahují tlaku okolo 20 kpa. Argon usnaduje zapálení výboje a snižuje odpaování emisní hmoty elektrod v poátení fázi startu, kdy hoákem prochází zvýšený proud pevyšující jmenovitou hodnotu až o 50 %. Start probíhá mezi hlavní a startovací elektrodou a tento výboj je stabilizován pomocným rezistorem umístným ve vnjší bace. Po dostatené ionizaci vnitního prostoru se výboj rozvine mezi hlavními elektrodami. Hoák je umístn ve vnjší bace z mkkého sodno-vápenatého skla u výbojek s íkonem do 125 W a nebo z tvrdého boro-kemiitého skla u výbojek s vyšším píkonem. Baka je naplnna obvykle smsí argonu a dusíku pi tlaku asi 50 kpa. To zajišuje ochranu nosného systému hoáku a ostatních ástí ped oxidací. Na vnitní stnu je nanesena vrstva luminoforu, která podobn jako u záivek transformuje ást ultrafialového záení na viditelné svtlo pedevším v ervené oblasti. hem startu se mní elektrické a svtelné parametry a jejich ustálení probíhá po dobu asi 5 minut. Pro potlaení vlivu vnjší teploty pracují výbojky v režimu pehátých par, ve kterém jsou zmny teploty doprovázeny menšími zmnami tlaku než v oblasti nasycených par. Z toho dvodu je nutné pesné dávkování rtuti takové, aby v provozním stavu došlo k úplnému odpaení veškerého množství. Obr Vysokotlaká rtuová výbojka Sortiment souasn vyrábných rtuových výbojek se ustálil na píkonové ad 50, 80, 125, 250, 400, 700 a 1000 W. Náhradní teplota chromatinosti obvykle 4000 K s indexem podání barev 42. Dále se vyrábjí výbojky v provedení "de luxe", které mají sníženou teplotu barvy svtla cca 3400 K a index podání barev Ra = 60. Mrný výkon tchto výbojek dosahuje hodnoty okolo 60 lm/w. Výbojky se do elektrického obvodu zaazují s pedadnou tlumivkou, jejíž spoteba iní podle typu W podle píkonu výbojky. Životnost výbojek se pohybuje okolo tis. hodin pi pomrn dobré stabilit svtelného toku v prhu života. Jejich nespornou výhodou je nízká cena a provoz bez zapalovae, proto lze jejich využití i v budoucnu považovat za asté pestože jsou nahrazovány úinnjšími halogenidovými nebo vysokotlakými sodíkovými výbojkami. Uplatnní najdou zejména v osvtlení prmyslových a

52 výrobních zaízeních, v uliním osvtlení, osvtlení park a zahrad, prodejních prostor a supermarket. Pracovní poloha výbojek je libovolná Smsové výbojky Konstrukce smsové výbojky je uvedena na obrázku. Pro doplnní oblasti ervené barvy je v sérii s rtuovým hoákem pipojeno wolframové vlákno obdobné vláknu bžné žárovky. Hoák i vlákno jsou umístny ve spolené bace s paticí s E závitem. Vlákno plní dv funkce: jednak prchodem elektrického proudu a rozžhavením na vysokou teplotu vzniká teplotní záení stejn jako u žárovky a jednak dochází k potebnému úbytku naptí nutného pro stabilizaci výboje. Taková výbojka již nepotebuje vnjší stabilizaní prvek (pedadník) a lze ji tedy namontovat místo bžné žárovky pímo do elektrické sít. Tyto výbojky se vyrábjí ve výkonové ad 160, 250 a 500 W a dosahují mrného výkonu lm/w, což je více než u klasických žárovek i halogenových žárovek. Stední životnost až hodin díky nižší teplot vlákna než u bžných žárovek. Tyto výbojky lze použít nap. v historických centrech mst, pších zónách, parcích a zahradách a nebo v interiérech jako náhrada žárovkového osvtlení. Index podání barev se pohybuje v rozsahu pi náhradní teplot chromatinosti K. Obr Smsová výbojka Halogenidové výbojky Zlepšení barevných vlastností svtla rtuové výbojky lze dosáhnout pidáním pímsí do výbojového prostoru. Existuje velké množství prvk, které generují záení ve viditelné oblasti. Jejich vhodným výbrem a kombinací lze dosáhnout široké palety výsledného spektra, které pedstavuje úinný zdroj bílého svtla pro úely všeobecného osvtlování. Mezi tyto prvky patí kovy jako nap. sodík, scandium, litium, thalium, indium, kovy vzácných zemin, dysprosium, holmium, thulium, erbium, ytterbium a další. Problematické je zejména dávkování tchto pímsí do výbojového prostoru nebo v istém stavu dosahují bu nízkého tlaku par a tím pádem i nízké koncentrace nebo jsou pi vyšších teplotách (nad 300 o C) velmi agresivní vi kemennému sklu hoáku. Ukázalo se, že nejvhodnjším zpsobem aplikace je vytvoení halogenid píslušných kov (nejastji jodidy pop. bromidy), nebo tyto sloueniny jsou pi pracovních teplotách hoák pomrn stálé, nejsou agresivní vi emennému sklu a dosahují obvykle vyššího tlaku par než isté kovy. Takto upravené výbojky se nazývají halogenidové a vycházejí ze základní konstrukce výbojek rtuových i když souasné verze výbojek s keramickým hoákem se od pvodních již zna liší.

53 Svtelná technika 53 Obr Halogenidová výbojka Obr Hoáky halogenidových výbojek (vpravo s ochranou proti roztíštní výbojky v pípad prasknutí hoáku) které odlišnosti v konstrukci výbojky jsou dány použitím halogen, které jsou nap. agresivní vi oxidm Ba, Ca, Sr na povrchu elektrod. V hoáku je opt sms argonu a rtuti s píslušnou smsí halogenid. Pro zvýšení teploty hoáku v prostoru za elektrodami se používá vrstva oxidu zirkoniitého (viz. Obr vlevo). Hoák je umístn ve vnjší bace, která mže být evakuovaná a nebo plnná inertním plynem. Baka mže být irá a nebo u výbojek v provedení de luxe pokrytá zevnit luminoforem. Zvýšená teplota vnjší baky obvykle vyžaduje materiál z tvrdého skla. Baky bývají zakoneny bu bžnou závitovou paticí E27, E40 a nebo kolíkovou paticí. U výbojek dvoustiskových jsou vývody provedeny speciální keramickou paticí. Výboj se zapaluje vysokým naptím z externího zapalovae. Napové pulzy dosahují hodnoty až 4,5 kv. Výboj je zapálen v parách rtuti a inertním plynu. Postupným zvyšováním teploty a tlaku se zvyšuje koncentrace halogenid. V jáde výboje dochází k jejich štpení a vybuzení atom píslušných kov. Tím vzniká bohaté spektrum záení s dobrým podáním barev. Vytvoený gradient koncentrace halogenid a samostatných atom kov a halogen nutí difundovat produkty štpení ke stnám baky, kde se opt sluují pi nižších teplotách na halogenidy. Jedná se o uzavený cyklus, obdobný jako u halogenových žárovek. K nejastji používaným kombinacím halogenid v dnešní dob patí: 1) NaI + TlI + InI: Použité prvky vyzaují ve viditelné oblasti spektra sodík 589 nm, thalium v zelené oblasti 535 nm a indium v modro-fialové oblasti 410 a 451 nm. Vhodnou kombinací lze získat zdroj bílého svtla, jehož index podání barev dosahuje hodnoty až Ra = 65 a mrný výkon lm.w -1. 2) DyI 3 + HoI 3 + TmI 3 + TlI: Prvky vzácných zemin produkují velmi husté árové spektrum, což ve výsledku vede k velice dobrému podání barev. Thalium zase zvyšuje mrný výkon zdroje. Výbojky s touto smsí dosahují mrného výkonu až lm.w -1 a indexu podání barev lepšího než 90. 3) ScI 3 + NaI + LiI: Scandium má bohaté spektrum v modrozelené oblasti, sodík a lithium pak v ervené a žluté oblasti. Mrný výkon dosahuje hodnot 85 a Ra okolo 75. 4) SnBr 2 + SnI 2 : Tyto výbojky využívají spektrum molekulární disociace použitých pímsí, které je prakticky spojité a lze je pizpsobit tak, že je

54 podobné záení erného tlesa. Snížení výkonu na 60 lm.w -1 je vyváženo vynikajícím indexem podání barev Ra až 98. Díky velice pesné výrob a dávkování smsí patí halogenidové výbojky po technologické a materiálové stránce k nejsložitjším svtelným zdrojm vbec. Tato složitost je však vykoupena adou pozitivních vlastností: široké úpravy spektrálního složení svtla velký rozsah píkon ( W) dobré až vynikající podání barev pi velkém mrném výkonu možnost vytvoení rozmrov kompaktních svtelných zdroj s vysokým íkonem na jednotku objemu relativn dlouhý život. K nevýhodám patí zejména: nutnost použití vnjšího zapalovae pomrn velká citlivost parametr na kolísání naptí sít tší zmny spektrálních vlastností v prhu technického života zdroje vliv polohy svícení jak na výkon zdroje tak i na barevné vlastnosti svtla. které typy zdroj mají dokonce výrobcem pedepsanou polohu svícení a k tomu optimalizovaný tvar hoáku. V roce 1994 se objevily první výbojky konstruované s hoákem z materiálu podobného jako u sodíkových vysokotlakých výbojek, tedy z polykrystalického oxidu hlinitého. V souasné dob jsou tyto výbojky nabízeny dokonce s hoákem kulovitého tvaru, který oproti klasickému válcovitému tvaru nabízí další pednosti menší ernání hoáku v prostoru za elektrodami, stabilnjší výboj v celém objemu hoáku, lepší rozložení výkonu uvnit výbojového prostoru, delší životnost. Závrem lze íci, že halogenidové výbojky pedstavují velice perspektivní zdroj budoucnost i a lze oekávat jejich další rozšiování a vylepšování a to zejména v oblasti nízkopíkonových typ, které se hodí i na osvtlování interiér bytového a kanceláského charakteru. 6.3 Shrnutí kapitoly Výbojové zdroje svtla pedstavují velice obsáhlou skupinu svtelných zdroj. Základní lení lze provést podle tlaku plynné nápln a to na vysokotlaké a nízkotlaké výbojky. U nízkotlakých výbojek se stetáváme prakticky se dvmi zástupci záivkami a sodíkovými nízkotlakými výbojkami. Záivky transformují pvodn UV generované záení nízkotlakého rtuového výboje prostednictvím luminoforu do viditelné oblasti. Záivky se vyrábjí jak v lineárním tak v kompaktním provedení. Stále více rozšíené jsou záivky kompaktní s vestavným elektronickým pedadníkem. Vysokotlaké výbojové zdroje jsou opt založeny na bázi výboje v parách rtuti a nebo sodíku. Vysokotlaké sodíkové výbojky našly uplatnní zejména v uliním osvtlení a osvtlení velkých prmyslových prostor. Jejich vysoký mrný výkon a vysoký celkový výkon je peduruje pro aplikace, kde je teba úsporné ale zárove výkonné osvtlení. Rtuové výbojky díky svému horšímu podání barev zaznamenávají trvalý ústup a jsou postupn vytlaovány výbojkami halogenidovými, které vycházejí z jejich konstrukce. Halogenidové výbojky díky pítomnosti speciálních smsí halogenid kov poskytují výborné podání barev pi souasn vysokém mrném výkonu. To peduruje tyto zdroje pro použití

55 Svtelná technika 55 v interiérovém osvtlení ale asto se využívají i v osvtlení venkovním, nap. pro osvtlení budov, fasád, park apod. 6.4 Kontrolní otázky 1. Jak lze rozdlit výbojové zdroje svtla? 2. Na jakém principu vzniká záení u výbojového zdroje? 3. S jakým tlakem par pracují nízkotlaké zdroje? 4. Jaké nevýhody mají rtuové výbojky? 5. Jaký mrný výkon dosahují nízkotlaké sodíkové výbojky? 6. Jaké výhody mají halogenidové výbojky? 7 Luminiscenní a ostatní zdroje svtla Cíle kapitoly: Seznámení s technologií LED - luminiscenní zdroje svtla, bezelektrodové výbojové zdroje, zdroje s krátkým obloukem, sirné výbojky. estože mezi luminiscenní zdroje svtla bychom mohli zahrnout i záivky nebo výbojky s luminoforem, budeme se v této kapitole zabývat novými a do budoucna perspektivními zdroji svtla luminiscenními diodami LED. 7.1 LED Lighting Emited Diode jsou svtelné zdroje založené na luminiscenci pevných látek, konkrétn luminiscenci buzené elektricky prostednictvím d probíhajících v polovodiovém pechodu PN. Mezi nejrozšíenjší typy patí aluminium indium galium fosforid (AlInGaP) a indium galium nitrid (InGaN) nahrazující díve používané galium arzenid fosforid (GaAsP) a galium fosforid (GaP) a aluminium galium arzenid (AlGaAs). Princip je založen na pímé konverzi elektrické energie na svtlo bez použití mezilánku jako u výbojek. Stejnosmrný proud prochází dotovanými krystaly pechodu PN a zpsobuje, že minoritní nosie náboje - elektrony - jsou pesouvány do oblasti P pechodu. Fotonová emise vznikne jako výsledek rekombinace pár elektron - díra v P oblasti. Energie elektronu pro pekonání zakázaného pásu procházející pes energetický pechod, se nazývá vyzaující rekombinace a produkuje fotony v oblasti svtelné a také v oblasti IR jako teplo. Energetická pásmová bariéra Eg je oddlením mezi vodivostním energetickým pásmem a valenním energetickým pásmem v polovodiovém krystalu. Charakteristika zakázaného pásu uruje kvantovou úinnost a vyzaovanou vlnovou délku LED. Napíklad vyzaovaná energie a její vlnová délka je dána vztahem Tab. 7.1 hc. ( 7.1 ) E g rný výkon typických LED je uveden v tabulce. Vlastnosti LED AlInGaP InGaP Šíka zakázaného pásu 1,8-2,31 ev 3,4 ev (modrá) Vlnová délka maxima 585 nm (jantarová) 460 nm (modrá)

56 520 nm (zelená) rný výkon lm.w -1 (jantarová) 6 lm.w -1 (modrá) 30 lm.w -1 (zelená) Modrá InGaN LED Fotoluminiscenní fosfor Kombinované spektrum 470 nm Modrá 525 nm Zelená Obr. 7.1 Spektrum LED s luminoforem 590 nm Jantar 630 nm ervená 7.2 Indukní výbojky Mezi další zatím málo rozšíené svtelné zdroje patí tzv. indukní výbojky, jejichž princip vychází z podobných základ jako u nízkotlakých rtuových výbojek - záivek. Rozdíl je prakticky pouze v mechanizmu buzení atom rtuti uvnit výbojového prostoru. Pomocí silného vysokofrekvenního pole dochází k vybuzení atomu rtuti na dostatenou úrove, která staí k tomu, aby nastal záivý pechod z UV oblasti na vlnové délce 257 a 185 nm. S pomocí vrstvy luminoforu naneseného na vnitní stran baky se toto záení transformuje na viditelné svtlo. Konstrukní provedení je ukázáno na obrázku. Obr. 7.2 Bezelektrodová indukní výbojka a závislost svtelného toku na život. Vlivem bezelektrodové konstrukce je prakticky vyloueno poškození vnitní ásti výbojového prostoru, což znamená dosažení nkolikanásobn delší životnosti než u záivek s elektrodami. Životnost je dána pedevším elektronickými ástmi vysokofrekvenního zdroje a výrobce ji udává až hodin. Úinnost pemny elektrické energie se pohybuje okolo 70 lm.w -1 pi indexu podání barev vtším než 80.

57 Svtelná technika 57 Dalším typem bezelektrodové výbojky jsou zdroje z produkce firmy OSRAM oznaované obchodním názvem ENDURA, které využívají buzení výboje pomocí toroidních cívek umístných vn sklenné trubice, která je tvarována do uzaveného kruhového závitu opt bez elektrod. Tyto zdroje pi píkonu až 150 W dosahují svtelného toku až lm. Vysoká životnost je peduruje pro použití ve špatn dostupných prostorech, kde výrazn snižují náklady na výmnu svtelného zdroje. Obr. 7.3 Bezelektrodová záivka OSRAM ENDURA a spektrum generovaného svtla (3000K) 7.3 Sirné výbojky Dalším pedstavitelem bezelektrodového zdroje jsou tzv. sirné výbojky, které jsou založeny na záení generovaného vybuzenými parami síry. Tento zdroj byl vyvinut firmou Fusion Lighting USA v r Uvnit baky z kemenného skla o velikosti golfového míku je nápl netoxické síry a inertního argonu. Baka je umístna na sklenné tyince v silném mikrovlnném poli buzeném pomocí vysokofrekvenního generátoru - magnetronu o frekvenci asi 2.45GHz. Pro stabilizaci a homogenizaci výboje je sklenná baka unášena rotací vysokými otákami (3400 min -1 ) pomocí ochlazovaného motorku. Mikrovlnná energie budí sms plynu a síry a vytváí tak jasn záící plazma. Vyzáené svtlo má bohaté spektrum, které je podobné svtlu dennímu. První prototypy výbojek byly konstruovány s píkonem 5.9 kw a odpovídající mrný výkon dosahoval hodnoty 80 lumen/watt. Náhradní teplota chromatinosti asi 6000K s indexem podání barev 79. Nábh výbojky trvá nkolik desítek sekund i za nízkých teplot. Výhodou je stálost parametr bhem celé doby života. Životnost ovlivují pedevším elektrické ásti vysokofrekvenního generátoru (15-20 tis. hodin), vlastní bezelektrodový prostor se opotebovává minimáln s životností až 60 tis. hodin. Generované svtlo je velice intenzivní a musí být rozvádno vhodnou optickou soustavou. Hodí se pedevším pro spojení s vláknovými nebo dutými svtlovody. Nová verze Light Drive 1000 má píkon 1425 W se svtelným tokem 135 klm. Souasná technologie poskytuje mrné výkony až 120 lm.w -1 vetn ztrát budie.