A látás és a megértés a természet legnagyszerűbb ajándéka. Einstein. Világítástechnika

Átírás

1 Világítástechnika A látás és a megértés a természet legnagyszerűbb ajándéka. Einstein Némethné Vidovszky Ágnes dr. Barkóczy Gergely phd hallgató - meghívott előadók Elérhetőségeink: nemethne.vidovszky.agnes@nkh.gov.hu, barkocz.gergely@vet.bme.hu; Tanszék új helye V1 ép. III. emelet BME VIK 1

2 Tudnivalók a félévről: Bevezetés -A félév szóbeli vizsgával zárul; megajánlott jegy lehetséges -Vizsgára bocsátás feltételei: --évközi röp. zh sikeres megírása --hallgatói mérés jegyzőkönyvének beadása -Tananyag: --előadások(elérhetősége: --ajánlott irodalom -Lehetőségek: TDK Önállólabor - Diplomaterv --Kirándulás(díszvilágítási városnézés; gyár látogatás) --Világításháza szemináriumok látogatása, --VTT rendezvényeken részvétel BME VIK 2

3 Ajánlott irodalom: 1. Dr. Schanda János: Szín és észlelet elektronikus jegyzet zirat pdf 2. Kosztolicz István szerk. Közvilágítási kézikönyv, VTT Budapest, Dr. Majoros András: Belsőtéri vizuális komfort Terc Budapest, Dr. Borsányi János szerk.: Világítástechnika I-II. BMF KVK 2018 Budapest, Nagy János szerk.: Világítástechnika kislexikon Budapest Dr. Majoros András: Belsőterek világítása Műszaki Könyvkiadó Budapest, Dr. Majoros András: Természetes világítás Ybl Miklós Főiskola Budapest, Világítástechnikai évkönyvek BME VIK 3

4 Világítástechnika évkönyvekből évkönyv: Schanda János: Szilárdtest fényforrások alkalmazása a közvilágításban, látás fizikai alapok p 4-9 Borsányi János: Beszéljünk és írjunk helyesen , , évkönyvek Várkonyi László 50 év a fényforrástechnikában B BME VIK 4

5 Világítstechnika évkönyvekből Borsányi János: Fény és anyag kölcsönhatása Majoros András: Gondolatok a mesterséges világítás avulásáról Major Gyula: A sportvilágítás alapvető jellemzői Vas Z. Bodrogi P. Schanda J: Mezopos világítás BME VIK 5

6 Világítástechnika évkönyvekből Borsányi J. Fény születik Horváth J: Az izzólámpa 125 éves Schanda J: Fotometria 75 évvel ezelőtt és ma BME VIK 6

7 Az Internet veszélyei A képet Szelle György találta én A megbízhatók: BME VIK 7

8 Miért foglalkozunk a világítással? Φ ΖΩΗ Σ Az emberiség története a világossággal kezdődött és a világítással folytatódik. Pillitz Dezső Információ 90%-a szemünkön keresztül érkezik BME VIK 8

9 Mivel foglalkozik a világítástechnika? A világítástechnikaaz elvi alapokkal és műszaki gyakorlattal foglalkozó tudomány. A fénytechnikaaz általánosabb fogalom, az optikai sugárzás keltésével és alkalmazásával foglalkozó tudomány BME VIK 9

10 A világítástechnika interdiszciplináris tudomány Mérnöki tudományok Világítástechnika Építészet Biológia Orvostudomány BME VIK 10

11 Felosztás 1. Elméleti alapok, alapfogalmak Ha a szavak használata nem helyes, a fogalmak értelmezése zavaros, nem lehet szabatosan cselekedni. Konfucius Az idegen magyarázót nem kell szolgai módon követni, ügyelni kell a fordításnál a magyar nyelv szellemére. Brassai Sámuel BME VIK 11

12 Általános belsőtéri világításra vonatkozó előírások MSZ EN :2012 Új fogalmak: activity area (tevékenységi terület?) Task area (munka terület) volt és maradt Work place itt új, de (munkahely ld MSZ EN :2007) Work station itt új (munkaállomás ld. MSZ EN :2007) Background area (háttér) Roof light (felülvilágító) Window (ablak) IV. LED Konferencia, Budapest 12

13 Felosztás 2. Elméleti alapok, alapfogalmak fénykeltés fényforrások (működtető szerelvények előtétek, gyújtók) BME VIK 13

14 2007. Világítástechnikai Ankét BME VIK 14

15 Fényforrások BME VIK 15

16 Felosztás 2. Elméleti alapok, alapfogalmak fénykeltés fényforrások (működtető szerelvények előtétek, gyújtók) lámpatestek BME VIK 16

17 Lámpatestek BME VIK 17

18 Felosztás 2. Elméleti alapok, alapfogalmak fénykeltés fényforrások (működtető szerelvények előtétek, gyújtók) lámpatestek számítási alapok programok BME VIK 18

19 PE 19

20 PE 20

21 Felosztás 3. Fotometriai mérések BME VIK 21

22 Felosztás 3. Gyakorlati világítástechnika: Vizuális észlelés Vizuális komfort Káprázás, Működtetés, szabályozások Természetes világítás BME VIK 22

23 Őstörténet Tűz Fokla (világító szilánk, izzófahasáb) Fáklya (éghető folyadékkal átitatott anyag) Mécses (éghető folyadék edényben) Gyertya (viasz, faggyú, stb.) Gázláng (XIX. sz.) Villamos ívlámpa (első kísérlet:1802: Petrov, 1810: Davy BME VIK retorta szén pálcával)

24 BME VIK 24

25 Villamos izzólámpa (1879.október ) Menlopark Forrás: Magyar Szabadalmi Hivatal:Magyar feltalálók és szabadalmaik BME VIK 25

26 Edison sikeréhez kellett a XIX sz. műszaki fejlődése Fontosabb időpontok: 1800 Alessandro Volta(1745 ~ 1827) 1827 Georg Simon Ohm(1789 ~ 1854) 1831 Michael Faraday (1791 ~ 1867) 1845 Gustav Robert Kirchhoff(1824 ~ 1887) 1854 Heinrich Goebel 1861 Jedlik Ányos unipoláris dinamó 1867 Siemens és Wheatstone 1800 Brassai-Jedlik 1823 Kölcsey Himnusz, Bólyai János, Reformkor 1840 Jedlik vonalzó gép-optikai rács 162 rés/mm Bach korszak Kiegyezés BME VIK 26

27 A villamos világítás történetéből 1879 Menlopark 1878 Ganz villamos műhely Zipernowsky Károly ( ) Forrás: Szabadalmi Hivatal: Magyar feltalálók és szabadalmaik BME VIK 27

28 A villamos világítás történetéből 1879 Menlopark 1878 Ganz villamos műhely 1881 Párizs 1882 Európában Siemens 1879 Mechwart- Zipernowsky díszvilágítás Kálvin tér - Szeged 1882 Nemzeti színház 1883 Trónörökös pár látogatása 1883 Bécsi világkiállítás Aug 16. Keleti BME VIK 28

29 Keleti anno BME VIK 29

30 1891 Philips Nov. Temesvár 1893 Prioritási per 1896 Egyesült izzó 1920 Fénycső, kisnyomású nátriumlámpa 1930 nagynyomású kisülőlámpák 1905/1913 Volframszálas izzó (Juszt Hanaman) 1934 Bródy kriptonlámpa 1946 Bay Zoltán hold-radar BME VIK 30

31 Bay Zoltán Forrás: Szabadalmi Hivatal:Magyar feltalálók és szabadalmaik BME VIK 31

32 1950 halogén izzó 1970 kompakt fénycső 1991 Indukciós lámpa 1990-s évek vége LED 2000 után energiahatékonyság től nincs 100 W izzó BME VIK 32

33 Miért foglalkozunk világítástechnikával? Az információ 90 %-a szemünkön keresztül érkezik Több tudomány határterülete és ezért érdekes Sok még a kutatható terület, fejlődik LED technológia, Biológiai ritmus és fény, Láthatóság és káprázás, Világosság és munkavégzőképesség stb BME VIK 33

34 Alapfogalmak I. Sugárzástechnikai fénytechnikai alapok BME VIK 34

35 Mi a fény? A fény: hatás szerint a közvetlenül látás érzetet keltő sugárzás Fizikai szempontból elektromágneses hullám Világítástechnikában csak az emberi szem által érzékelt sugárzás. Uvfény, infrafény nem használatos Inger fizikai jel, Ingerület szemben keletkező idegi jel (érzet?) Észlelet agyban keletkezó jel feldolgozás, BME VIK 35

36 Elektromágneses sugárzás BME VIK 36

37 Hogyan kelthető fény? Az optikai sugárzás keletkezése a sugárzó atomokban lezajló folyamatokkal magyarázható. Az atomok szerkezetéről szerzett tudásunk szerint az atommag körül meghatározott energiaszinteken lévő elektronok energiaközlés (pl. hőhatás, más részecskével való ütközés) hatására labilis nagyobb energiájú, úgynevezett gerjesztett állapotokba kerülhetnek. E gerjesztett állapotukból a stabilis állapotba visszatérve elektromágneses sugárzás, foton kibocsátása formájában szabadulnak meg a fölösleges energiájuktól. A foton energiája a két állapot közötti energiakülönbségnek felel meg BME VIK 37

38 Az elemi, már oszthatatlan sugárzási mennyiség a foton, melynek energiája E=h ν, h=6, Js BME VIK 38

39 Planck törvény (1900) A fekete sugárzó spektrális sugársűrűségét adja meg. L e ( λ, T ) c2 = cλ 5 eλt ( 1) 1 ahol:λ- hullámhossz légüres térben T- hőmérséklet K c =2hc h-plank állandó (6, Js) c 0 -fénysebesség( m/s) hc0 c 2 = χ κ-boltzmann állandó 1, JK BME VIK 39 1

40 BME VIK 40

41 Sugárzási törvények Stefan Boltzmann tv. M = σt e 4 M e σ felületi teljesítmény, Stefan-Boltzmann állandó Értéke:5, W/m 2 K 4 Wien féle eltolódási tv λt= áll BME VIK 41

42 Sugárzás - technikai alapok BME VIK 42

43 Láthatósági függvény Emberi szem érzékenységi görbéje λnm V(λ) 380 0, , , , , , , , , , , , , BME VIK 43

44 Láthatósági függvények rel. érzékenység 1 0,9 0,8 0,7 V'(λ ) V(λ ) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, hullám hossz, nm λ nm V (λ) 380 0, , , , BME VIK 44

45 Vizuális teljesítmény BME VIK 45

46 Mi a fény? A fény az optikai sugárzásnak az emberi szem által érzékelt része BME VIK 46

47 Fizikai Φ e ( λ) V( λ) Φ ( λ) v pszicho-fizikai mértékrendszer Fényáram: Φ = K Φ ( λ ) V ( λ )d λ ; m 0 e lm K m = 683 lm/w BME VIK 47

48 Láthatósági függvények 1 0,9 0,8 rel. érzékenység ékenység 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 V'(λ ) V(λ ) 0,2 0, hullám hossz, nm BME VIK 48

49 K m =1700 lm/w A fényáram mértékegysége: lumen; lm Nagyságrendek: 100W-s izzólámpa 1380 lm 36 W-s fénycső ~3000lm 70 W-s nátriumlámpa 6000 lm BME VIK 49

50 Besugárzás E =dφ /da W/m 2 dφ da BME VIK 50

51 Megvilágítás E v =dφ /da lm/m 2 =lx dφ da BME VIK 51

52 Néhány érdekes adat: Fényforrás, környezet Napsütéses tiszta égbolt Délben nyáron Délben télen Alkonyat Holdtölte, tiszta égbolt Tiszta égbolt holdfény nélkül Közvilágítás régebbi Közvilágítás újabb Irodavilágítás A megvilágítás lx ,2 0,001 0, BME VIK 52

53 Alapfogalmak folytatása Fényáram Ф v Sugárzott teljesítmény Ф e Megvilágítás környezetre Besugárzott felületi teljesítmény BME VIK 53

54 Alapfogalmak folytatása Fényáram Megvilágítás környezetre Fényerősség térbeli eloszlásra BME VIK 54

55 Emlékeztető: az SI mértékegység alapjai: Hosszúság; m Tömeg; kg Idő; s! Áramerősség; A (Bay Zoltán) Termodinamikai hőmérséklet; K! Anyagmennyiség; mol Fényerősség ;cd Kiegészítő egységek: Radián Szteradián BME VIK 55

56 Síkszög Térszög A B ϕ = AB r A merőleges vetület: dω= dacosα 2 r BME VIK 56

57 Fényerősség értelmezése BME VIK 57

58 Fényerősség: Kandela; Candela; Candela A fotometria SI mértékegység-rendszerének (System International) hetedik alapegysége a kandela (cd), a fényerősség egysége. A Nemzetközi Súly és Mértékügyi Bizottság (CGPM) 1979-es határozata alapján: A kandela olyan sugárzó fényerőssége adott irányban, amely 540 THz frekvenciájú monokromatikus sugárzást bocsát ki, amelynek sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W/sr. Az 540 THz frekvenciának normál levegőben 555,016 nm hullámhosszúság felel meg. Ez igaz, mind fotopos, mind szkotopos, mind mezopos tartományra BME VIK 58

59 Fényáram Besugárzás (besugárzott felületi teljesítmény) da Megvilágítás környezetre dω Fényerősség térbeli eloszlásra = da ( cosα) r 2 Sugárerősség E = dφ da I = dφ dω BME VIK 59

60 Van-e kapcsolat az előbbiek között? E = dφ da I ϑ = dφ dω dω = da ( cosα) r 2 E I Ω E= ϑd da I ( cosα) r cd* sr 2 m lm * sr sr m = 2 = ϑ Távolság törvény 2 = lx BME VIK 60

61 A kapcsolat az előbbiek között a távolság törvény E = I ϑ ( cosα) r 2 Optikai határ távolság BME VIK 61

62 n da Sugársűrűség δ L d ω A sugárzó felület da felületeleme által a felület normálisától (n) δ szögre elhelyezkedő irányban, a dωelemi térszögben kibocsátott dφ sugáráram d AΦ 2 L = e ; cd/m 2 dωd cosδ BME VIK 62

63 Fénysűrűség a da 1 felületelemet elhagyó (azon áthaladó vagy arra beeső) és adott irányt tartalmazó dω térszögben sugárzott dφ fényáramnak, valamint az elemi térszögnek és a felületelem adott irányra merőleges vetülete szorzatának hányadosa: 2 φv Lv = Ω Acosε 1 1 ε d 2 Φ dω egysége:cd/m 2, jele: L v da BME VIK φ 63

64 Másképp: L= Egysége: kandela per négyzetméter, az egység jele: cd / m 2 1 cd / m 2 = 1 lm / 1 sr. m 2 A fény forrása Iϑ Acosϑ fénysűrűsége cd / m 2 Nap délben Telihold Tiszta égbolt Fedett égbolt Izzólámpa, izzószála Nagynyomású nátriumlámpa Fénycső Irodai környezet falfelületei mesterséges világítás esetén Útburkolat korszerű közvilágítással , , BME VIK 64

65 Összefüggések az alapmennyiségek között da Fényáram dω dω Megvilágítás környezetre Fényerősség térbeli eloszlásra da L= de dω ( cosα) d 2 Φ L= dadω ( ) cosϑ Fénysűrűség: L= di da ( cosϑ) BME VIK 65 ϑ

66 Radiometriai mennyiségek Megnevezés Term Jele Egysége sugárzott energia radiant energy Q joule, 1 J = 1 kg m 2 s -2 sugárzott radiant flux φ vagy F watt (J s -1 ) teljesítmény besugárzás irradiance E W m -2 Sugárerősség Sugársűrűség radiant I W sr -1 intensity radiance L W m -2 sr BME VIK 66

67 Radiometriai mennyiségek sugárzott teljesítmény teljesítmény eloszlás összefüggései φ, F watt (J s -1 ) φ λ = dφ/dλ W m -1 sugárzott Q joule, 1 J = 1 Q = Φ d t energia kg m 2 s -2 besugárzás E = dφ/da E W m -2 sugárerősség I=dφ/dω I W sr -1 sugársűrűség L = d 2 φ/(dω da cosδ) L W m -2 sr BME VIK 67

68 Lambert féle koszinusztörvény 1. I = I cosϑ ϑ 0 L= I ϑ Acos ϑ I 0 L= A BME VIK 68

69 Lambert koszinusztörvény 2. A felület világosság eloszlása félgömbbel jellemezhető. R sinθ dθ R dφ Θ R φ BME VIK 69

70 Lambert sugárzó esetén: L ρ = E π Közvilágításban: L = qe BME VIK 70

71 Egyéb fogalmak Fényhasznosítás Definíció: A fényforrás által kibocsátott fényáram és a felvett villamos teljesítmény hányadosa. η * = Φ/P Jele: η * Mértékegysége: lm/w BME VIK 71

72 Fényforrások fényhasznosítása Fényforrás típusa Hagyományos izzólámpa Fényhasznosítás (lm/w) 14,4 Halogén izzólámpa 17 Kompakt fénycső 85 Nagynyomású fémhalogén lámpa 90 Nagynyomású Na-lámpa 116 Kisnyomású Na-lámpa 206 LED (világító dióda) BME VIK 72