7. SVÍTIDL Světelné droje většinou samy o sobě nevyhovují pro osvětlovací účely, neboť obvykle mají nevhodné rodělení světelného toku, příliš vysoký jas a ani nejsou odolné proti růným vlivům prostředí. Proto se světelné droje umísťují do svítidel. Svítidla jsou světelné přístroje (aříení), která slouží jednak k úpravě prostorového roložení světelného toku drojů, k roptýlení jejich světla, popřípadě i ke měně spektrálního složení áření a jednak k napájení drojů elektrickou energií, k jejich upevnění a k ochraně světelných drojů před nepřínivými vlivy obklopujícího prostředí. Vhodná konstrukce svítidel a jejich správné umístění jsou hlavními prostředky ke snížení jasu světelných drojů v určitých směrech a k odstranění nebepečí oslnění. Kromě míněných světelně technických požadavků musí svítidla umožňovat jednoduchou montáž a údržbu, musí být dostatečně trvanlivá a funkčně spolehlivá, musí vyhovovat i hlediska ochrany před nebepečným dotykovým napětím, ochrany před dotykem živých částí, vniknutím ciích předmětů či vody, popřípadě ochrany před nebepečím výbuchu a musí odolávat dalším namáháním a nepřínivým vlivům prostředí. Při konstrukci svítidel je však nutno respektovat i estetické požadavky a požadavek maximální hospodárnosti. Rodělení světelného toku svítidla do prostoru charakteriuje fotometrická plocha svítivosti, popřípadě jasu. V praxi se však běžně udává poue několik rovinných řeů plochou svítivosti, tj. čar svítivosti ve vhodně volených rovinách a několik hodnot jasu svítidla v určitých vybraných směrech. Kromě svítidel pro běžné osvětlovací účely se v praxi často využívá též světlometů. Světlomety jsou světelné přístroje, které vyařují směrově soustředěný svaek světelných paprsků. Používá se jich převážně pro osvětlování velkých vdálenost. Ke světelným přístrojům patří také návěstidla, používaná ke světelnému načení a signaliaci, ejména v dopravě. Svým použitím i konstrukcí se ke svítidlům řadí také oařovače pro oblast optického áření. Jde aříení, která mění roložení optického áření drojů, roptylují je, popř. mění jeho spektrální složení. Konstrukce oařovačů je obdobná konstrukci svítidel a často jsou v nich použity světelné droje pro všeobecné osvětlování. Optické áření světelných drojů de slouží k účelům technologickým. Podle použití se oařovače rodělují na fotosyntetické, fotochemické, apod. 7.1 Světelně činné a konstrukční části svítidel Svítidla se skládají částí světelně činných a částí konstrukčních. Světelně činné části slouží ke měně roložení světelného toku, popřípadě i ke měně spektrálního složení světla. Konstrukční části slouží k upevnění samotných světelných drojů a světelně činných částí, dále k jejich ochraně a k napájení drojů světla. Podle charakteru potřebné úpravy prostorového rodělení světelného toku se svítidla vybavují růnými světelně činnými částmi, a to stínidly, reflektory, refraktory, čočkami, difuory či filtry. Stínidla jsou clony neprůsvitné nebo roptylné látky, jejichž účelem je bránit přímému pohledu na světelný droj. Stínidla mohou mít i tvar mřížky složené pásků. Míra aclonění světelného droje stínidly se určuje tv. úhlem clonění. Úhel clonění δ je nejmenší ostrý úhel mei vodorovnou rovinou a přímkou spojující okraj stínidla s primárním světelným drojem, tj. s vláknem čirých žárovek (vi obr. 7-1), povrchem baňky žárovek s opálovou a matovanou baňkou a výbojek s baňkou opatřenou vrstvou luminoforu (vi obr. 7-2), s povrchem trubic ářivek, popřípadě obecně s okrajem plochy droje s vysokým jasem. U ářivkových svítidel se udává úhel clonění v podélném δ 1 a v příčném δ 2 směru (vi obr. 7-3a a 7-3b). 1
Obr. 7 1 Obr. 7 2 Obr. 7 3a Obr. 7 3b Reflektory jsou části svítidel, které mění prostorové roložení světelného toku odraem světla, atím co refraktory a čočky mění rodělení toku prostupem a lomem světelných paprsků a difuory (roptylovače) pak prostupem a roptylem světla. Filtry jsou světelně činné části svítidel, které mění spektrální složení jimi procháejícího světelného áření nebo menšují světelný tok tohoto áření. Pokud jde o reflektory, mohou být rcadlové (tj. reflektory se rcadlovým odraem, difúní či roptylové (tj. reflektory s difúním odraem) a matované (tj. reflektory se smíšeným, tn. částečně rcadlovým a částečně difúním odraem). Roptylovače mohou pak být difúní (s difúním prostupem), matné (se smíšeným prostupem; světlo se roptyluje v materiálu difuoru) a matované (se smíšeným prostupem; světlo se roptyluje na jejich povrchu). Svítidla se rcadlovými reflektory se ve světelně technické praxi stále více prosaují, neboť se vynačují vysokou účinností a velkými možnostmi úpravy roložení světelného toku. Na rodíl od difúních reflektorů jsou rcadlové reflektory navrhovány tak, aby na odraové ploše docháelo poue k jednomu odrau paprsků směrem do výstupního otvoru svítidla, a to podle požadavku na tvar křivky svítivosti. Reflektory se nejčastěji vakuově pokovují hliníkem nebo se vyrábějí hliníkového plechu plátovaného čistým hliníkem, který se chemicky leští. Předpokladem úspěšného provou svítidla se rcadlovým reflektorem je možnost nastavení světelného středu droje do světelného středu optického systému svítidla, souosost droje s optickou osou systému a dlouhodobé achování odraných vlastností reflektoru. Svítidla se rcadlovými reflektory umožňují vytvořit speciální roložení svítivosti a současně snížit jas svítidel ve směrech, které jsou kritické hlediska oslnění. Zahraniční výrobci aplikují u celé řady, ejména ářivkových svítidel, rcadlové parabolické clony a ajišťují tak odra paprsků do vhodně vybraného směru. Využití takových svítidel umožňuje dobře abránit oslnění na mnoha pracovištích, včetně pracovišť s obraovkami. Ke konstrukčním částem svítidla patří především těleso (nosná část) svítidla, objímka pro instalaci, mechanické uchycení a elektrické připojení světelného droje, dále držák objímky (připevňující objímku k tělesu svítidla), elektrické příslušenství (předřadníky, apalovací aříení, kompenační kondenátory), elektroinstalační součásti (např. svorkovnice, vývodky, vodiče apod.), ochranné kryty drojů a světelně činných částí (včetně upevňování příruby a těsnění) a konečně také upevňovací prvky pro připevnění svítidla k nosné konstrukci (např. ávěsná oka, výložníky, šňůry, trubky, řetíky, dotykové spojky, čepy, montážní lišty apod.). 2
7.2 Třídění svítidel Svítidla se rodělují podle druhu použitého světelného droje, podle roložení světelného toku, podle stupně clonění, podle ochrany před nebepečným dotykovým napětím, podle druhu krytí svítidel, podle upevnění a podle účelu použití svítidel. Podle světelného droje, pro který jsou svítidla určena, se roenávají ejména svítidla žárovková, ářivková a výbojková. Třídění svítidel podle rodělení světelného toku do dolního a horního poloprostoru je patrno tab.7-1. Tab. 7-1 Třídy svítidel podle roložení toku Třída Rodělení světelného toku roložení Svítidlo v % toku svítidla světelného do poloprostoru toku dolního horního I přímé nad 80 do 20 II převážně přímé 60 až 80 40 až 20 III smíšené 40 až 60 60 až 40 IV převážně nepřímé 20 až 40 80 až 60 V nepřímé do 20 nad 80 Důležitou světelně technickou charakteristikou svítidel je roložení svítivosti. Nejčastěji se čáry (křivky) svítivosti udávají v polárních souřadnicích, i když přesnost čtení údajů je v pravoúhlých souřadnicích vyšší. S roložením svítivosti akresleným v pravoúhlém souřadnicovém systému se můžeme často setkat u světlometů. K vystižení tvaru čáry (křivky) svítivosti se využívá činitele K F tvaru křivky svítivosti a úhlového pásma maximální svítivosti. Činitel K F je určen poměrem maximální hodnoty I max svítivosti ke střední hodnotě svítivosti I stř I max K F = (- ; cd, cd) (7-1) I stř Střední hodnota svítivosti se pro danou křivku svítivosti nejčastěji stanovuje e vtahu 85 95 1 1 I stř = I γ nebo výrau I stř = I γ (7 2) 9 9 γ = 5 γ = 175 kde γ = 5, 15, 25,... 75, 85 o nebo γ = 95, 105, 115,... 165, 175 o Třídění svítidel podle tvaru čáry svítivosti, úhlového pásma maximální svítivosti a činitele K F tvaru čáry svítivosti je řejmé v tab.7-2. Typové čary svítivosti jsou nakresleny na obr. 7-4. Tab.7-2 Rodělení svítidel podle tvaru křivky svítivosti Tvar křivky svítivosti (obr. 7-4) Oblast úhlů max. svítivosti Činitel K F tvaru onačení náev ( o ) a koncentrovaná 0 až 15 K F 3 b hluboká 0 až 30, 150 až 180 2,0 K F < 3 c kosinusová 0až 35, 145 až 180 1,3 K F < 2 d pološiroká 35 až 55, 125 až 14 1,3 K F e široká 55 až 85, 95 až 125 1,3 K F f rovnoměrná 0 až 180 1,3 K F, přičemž I min < 0,7. I max g sinusová 70 až 90, 90 až 100 1,3 < K F, přičemž I o < 0,7. I max I o je svítivost v optické ose svítidla; I min min. svítivost; I max max. svítivost 3
Obr. 7-4 Typové křivky svítivosti svítidel Svítidla pro venkovní prostory musí mít ve vertikální rovině křivku svítivosti širokou, pološirokou, kosinusovou nebo sinusovou. Kromě ajištění vhodného roložení světelného toku svítidel aměřeného k dosažení požadované hladiny osvětlenosti, je třeba svítidla také charakteriovat hlediska ábrany oslnění. U svítidel určených pro osvětlování vnitřních prostorů se pro kontrolu oslnění nejčastěji udávají jasy těchto svítidel v růných směrech. U venkovních svítidel se k ábraně oslnění přispívá tím, že se předepisují maximální hodnoty svítivosti, a to pro určité stupně oslnění a pro určité směry ve vybraných rovinách soustavy C - γ (vi tab.7-3). Tab.7-3 Maximální hodnoty svítivosti pro růné stupně oslnění Stupeň oslnění 1 2 I max (cd.klm -I ) v rovinách C0 až C15; C165 až C185 pro 90 o 10 50 pro 80 o 30 100 Pro uliční svítidla kromě toho norma ČSN 360603 Venkovní elektrická svítidla stanovuje hodnoty maximálních svítivostí uvedené v tab.8-4. Tab.7 4 Maximální hodnoty svítivosti uličních svítidel Úhel od svislice ( o ) 75 80 85 90 Maximální dovolená svítivost (cd.klm -l ) 200 80 25 20 Podle ochrany před nebepečným dotykovým napětím neživých částí se v souladu s normou ČSN 34 1010 svítidla dělí do tříd 0, I, II a III. Svítidla třídy 0 jsou vybavena poue pracovní iolací be možnosti připojení ochranného vodiče a vyrábějí se jen pro vestavění do určitých aříení, takže po abudování mají ochranu třídy I nebo II. Svítidla třídy I mají všude alespoň pracovní iolaci a jsou vybavena ochrannou svorkou či kontaktem pro připojení ochranného vodiče. Mají-li tato svítidla pohyblivý přívod, má tento přívod ochranný vodič a připojují se vidlicí s ochranným kontaktem. Svítidla třídy II mají všude dvojitou nebo esílenou iolaci a nejsou aříena k připojení ochranného vodiče. Tato svítidla mohou být provedena jako iolačně krytá, kovově krytá nebo kombinací těchto dvou působů krytí. Svítidla třídy III jsou určena pro připojení na droj malého napětí, např. 12 V, či 24 V a nemají žádné vnitřní ani vnější obvody s napětím vyšším. Členění svítidel podle druhu krytí před vniknutím ciích předmětů, před nebepečným dotykem a před vniknutím vody se řídí normou ČSN 33 0330 Krytí elektrických aříení a je charakteriováno načkou složenou písmen IP a dvojčíslí v romeí 00 až 68, První číslice (od 0 do 6) charakteriuje ochranu před nebepečným dotykem živých nebo pohybujících se částí a před vniknutím ciích předmětů. Druhá číslice (od 0 do 8) onačuje stupeň ochrany před vniknutím vody. Druh krytí svítidla musí odpovídat charakteru prostředí, v němž má být svítidlo provoováno (vi ejména normu ČSN 33 2310 Předpisy pro elektrická aříení v růných prostředích ). 4
Uveďme alespoň několik v praxi se často vyskytujících krytí svítidel: IP 00 (svítidla nekrytá; jsou povolena poue pro malé napětí), IP 20 (svítidla chráněná; nejnižší dovolené krytí svítidel pro níké napětí), IP 21, popříp. IP 41 (svítidla chráněná před kapající vodou), IP 23 a IP 43 (svítidla chráněná před deštěm), IP 54 a IP 55 (částečně prachotěsná), IP 55 a IP 65 (chráněná před tryskající vodou), IP 65 a IP 66 (prachotěsná), IP 67 a IP 68 (ponorná) a další. Zv1áštní skupinu tvoří svítidla nevýbušná, konstruovaná tak, aby a určitých provoních podmínek nemohla vnítit výbušnou směs (vi ČSN 360607 Nevýbušná elektrická svítidla). Podle upevnění se svítidla dělí na pevná a pohyblivá. Pevná svítidla jsou stropní, nástěnná, vestavná, ávěsná a stojanová. Pohyblivá svítidla mohou být stojanová (nasaditelná), přenosná (ruční) a převoná (na kolečkách, na voíku). Podle účelu použití svítidel je možno svítidla dále členit např. na svítidla pro byty a společenské prostory, na svítidla pro průmyslové prostory, pro venkovní prostory apod. 7.3 Světelná účinnost svítidel Světelný tok sv vycháející e svítidla je vždy vlivem trát v optickém systému svítidla menší než světelný tok. drojů instalovaných ve svítidle. Hospodárnost svítidla e světelně technického hlediska charakteriuje světelná účinnost η sv svítidla definovaná poměrem světelného toku sv svítidla ke světelnému toku drojů η sv = sv /. Hodnoty účinnosti svítidel se pohybují v širokých meích přibližně od 0,3 do 0,9. Účinnost svítidla je ávislá jak na druhu droje a jeho fotometrické ploše svítivosti, tak i na jeho poloe ve svítidle. Na účinnost svítidla má vliv tvar a konstrukce svítidla, světelně technické vlastnosti materiálů částí svítidla, které odrážejí či propouštějí světlo. U otevřených svítidel vycháí sice část světelného toku drojů e svítidel přímo a tedy bee trát, ovšem bylá část světelného toku, dopadající na světelně činné části svítidel, vycháí e svítidel otevřených menšena o tok pohlcený v optickém systému svítidel. Účinnost svítidla je tedy tím vyšší, čím větší část světelného toku drojů vycháí e svítidel přímo, aniž by byla podrobena odraům, lomům či prostupu jakoukoliv vrstvou. Podíl toku přímo vycháejícího e svítidel je též ávislý na úhlu clonění. Je-li světelný tok použitého světelného droje ávislý na teplotě okolí (jako je tomu např. u ářivkových svítidel), udává se jednak optická účinnost svítidla a jednak účinnost provoní. Optická účinnost se stanovuje hodnot světelných toků svítidla a drojů určených a stejných podmínek a pracovní teploty jako při provou svítidla. Provoní účinnost svítidla je pak určena poměrem toku vyařovaného svítidlem při provoní teplotě k toku drojů, který se stanoví e předepsaných podmínek (s normaliovaným předřadníkem a normaliované kušební teploty). Snahou konstruktéra svítidel musí být dosažení co nejvyšší provoní účinnosti svítidel, aby byl co nejvíce využit elektrický příkon. Např. u většiny svítidel určených pro osvětlování ulic a průmyslových provoů se předepisuje minimální účinnost svítidel 60%, u některých dokonce 65%. Účinnost svítidla se většinou určuje na ákladě měření světelného toku drojů instalovaných ve svítidle a toku svítidla. V některých jednodušších případech je možno účinnost svítidla stanovit i výpočtem. Příklady výpočtu účinnosti svítidla a) Výpočet účinnosti souměrného svítidla se rcadlovým reflektorem. U otevřeného svítidla vycháí světelný tok droje části e svítidla přímo do prostoru ( p ) a části dopadá na povrch reflektoru ( r ). Od reflektoru s činitelem odrau ρ se odraí světelný tok ρ. r. Za předpokladu, že docháí jen k jednonásobnému odrau každého paprsku, bude celkový světelný tok sv vycháející e svítidla roven sv = p + ρ. r (7-3) a pro účinnost svítidla vycháí vtah 5
+ ρ. sv p r η sv = = (7-4) Vyjádří-li se v rovnici (7-4) část toku r dopadlá na reflektor vtahem r = ξ., je pak tok p přímo vycháející e svítidla roven p = (1 - ξ) a pro účinnost svítidla je možno rovnice (7-4) odvodit vtah ( 1 ξ ) + ρ ξ ηsv = = 1 ξ + ρ. ξ = 1 ξ ( 1 ρ ) (7-5) např. pro ρ = 0, 7 a ξ = 0, 6 je η sv = 0, 82. V případě, že je sledované svítidlo uavřeno propustným krytem s činitelem prostupu τ, je při anedbání části světelného toku, která se odráží od krytu pět na reflektor, tok vycháející e svítidla určen vtahem sv = τ ( p + ρ. r ) (7-6) a účinnost le stanovit rovnice η sv = τ [1 - ξ (1 - ρ)] (7-7) např. tedy pro τ = 0,8; ρ = 0,7; ξ = 0,6 je η sv = 0,66. b) Výpočet účinnosti souměrného otevřeného svítidla s difúně odrážejícím vnitřním povrchem. Svítidlo tedy představuje dutou plochu (plocha difuoru s konstantním činitelem odrau ρ ) s kruhovým otvorem podle náčrtu na obr.7-5. Z toku světelného droje vycháí otvorem 0 přímo e svítidla část p = (1 - ξ) a na difuor dopadá pak tok d = ξ.. Při prvém odrau od difuoru se toku d odraí tok ρ = ρ. ξ., něhož část Obr.7-5 d = ψ. ρ = ψ. ρ. ξ. novu dopadá na difuor a část d = (1 - ψ) ρ = (1 - ψ) ρ. ξ. vycháí e svítidla do prostoru. Postup při dalších odraech je analogický a objasňuje jej schematicky obr.7-6. Z obr.7-6 je řejmé, že světelný tok sv vycháející e svítidla se skládá přímé složky p = (1 - ξ). a e složek odražených, jejichž velikosti tvoří geometrickou řadu s kvocientem ψ.ρ a jejíž součet se stanoví rovnice (1 - ψ) ρ. ξ. [1 + ψ ρ + ψ 2 ρ 2 + ψ 3 ρ 3 + ( 1 ψ ). ρ. ξ. +... ] = (7-8) 1 ψρ Obr. 7 6 Celkový tok sv vycháející otvorem o uvažovaného svítidla je tedy roven ( ) ( 1 ψ ). ρ. ξ sv = 1 ξ + (7-9) 1 ψρ Hledaná účinnost η sv se pak stanoví výrau sv ( 1 ψ ). ρ. ξ ηsv = = 1 ξ + (7-10) 1 ψρ 6
Onačí-li se písmenem L jas difúně odrážejícího povrchu duté plochy (difuoru svítidla) po proběhnutí dostatečně velkého počtu odraů, je světlení M této plochy M = π. L a tok vycháející po míněných odraech plochy je pak roven M. = π. L.. Z tohoto toku dopadá na plochu o otvoru poue část o velikosti (1 - ψ) π. L., která je ovšem v daném případě rovna toku vycháejícímu otvorem o při stejném jasu L, tj. toku o velikosti π. L. o. Platí tedy rovnice (1 - ψ). π. L. = π. L. o (7-11) níž vyplývá, že 1 - ψ = o (7-12) Vtah (7-10) pro účinnost η sv otevřeného svítidla s difuorem le konečně dosaením rovnice (7-12) upravit do tvaru o ρ. ξ. ηsv = 1 ξ + (7-13) 1 1 o. ρ např. pro ξ=0,6 ; o = 1 ψ = 0, 3 ; a pro ρ = 0,75 vycháí účinnost svítidla ηsv = 0,805. c) Výpočet účinnosti souměrného uavřeného svítidla, jehož světelný droj je akryt stínidlem (např. ve tvaru koule podle obr.7-7) materiálu ajišťujícího rovnoměrně roptylný prostup. Obr. 7-7 Předpokládá se, že rovnoměrně roptylný vnitřní povrch stínítka má činitel odrau ρ, činitel prostupu τ a činitel pohlcení α. Tok droje dopadající na vnitřní povrch stínítka se části odraí (ρ. ), části je pohlcen (α. ) a části procháí do okolního prostoru (τ. ). Odražená část toku ρ. dopadá novu na stínítko na jiném místě a opět se dělí na tři části ρ. = ρ 2. + α. ρ. + τ. ρ. (7-14) Podobně by bylo možno děj vyšetřovat dále. Po proběhnutí dostatečně velkého počtu odraů le pro světelný tok sv prošlý roptylným stínítkem napsat vtah sv = τ.. (1 + ρ + ρ 2 + ρ 3 τ +... ) = (7-15) 1 ρ Účinnost takového svítidla se pak stanoví výrau sv τ ηsv = = (7-16) 1 ρ např. pro τ = 0,6 a ρ = 0,3 je η sv = 85 %. Ve skutečnosti jsou účinnosti svítidel ještě nižší než teoretické hodnoty ískané pro svítidla s bodovým drojem světla výpočtem, neboť část světelného toku drojů pohltí jak světelně činné plochy, tak ještě i další vnitřní konstrukční části svítidel. 7