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,+36 70 455 75 02 barkocz.gergely@vet.bme.hu; Tanszék új helye V1 ép. III. emelet 2013.02.11. BME VIK 1
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:https://f-labor.mkt.bme.hu/nva) --ajánlott irodalom -Lehetőségek: TDK Önállólabor - Diplomaterv --Kirándulás(díszvilágítási városnézés; gyár látogatás) --Világításháza szemináriumok látogatása, --VTT rendezvényeken részvétel 2013.02.11. BME VIK 2
Ajánlott irodalom: 1. Dr. Schanda János: Szín és észlelet elektronikus jegyzet http://vision.vein.hu/~schanda/szintervezes/sch_jegyzet_ke zirat20110609.pdf 2. Kosztolicz István szerk. Közvilágítási kézikönyv, VTT Budapest, 2009 3. Dr. Majoros András: Belsőtéri vizuális komfort Terc Budapest, 2004. 4. Dr. Borsányi János szerk.: Világítástechnika I-II. BMF KVK 2018 Budapest, 2003. 5. Nagy János szerk.: Világítástechnika kislexikon Budapest 2001 6. Dr. Majoros András: Belsőterek világítása Műszaki Könyvkiadó Budapest,1998 7. Dr. Majoros András: Természetes világítás Ybl Miklós Főiskola Budapest, 1995 8. Világítástechnikai évkönyvek 2013.02.11. BME VIK 3
Világítástechnika évkönyvekből 1. 2010-11 évkönyv: Schanda János: Szilárdtest fényforrások alkalmazása a közvilágításban, látás fizikai alapok p 4-9 Borsányi János: Beszéljünk és írjunk helyesen 2006-07, 2008-09, 2010-11 évkönyvek Várkonyi László 50 év a fényforrástechnikában B. 2013.02.11. BME VIK 4
Világítstechnika évkönyvekből 2 2008-09 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 2013.02.11. BME VIK 5
Világítástechnika évkönyvekből 3. 2006-07 Borsányi J. Fény születik 2004-05 Horváth J: Az izzólámpa 125 éves 1999-2000 Schanda J: Fotometria 75 évvel ezelőtt és ma 2013.02.11. BME VIK 6
Az Internet veszélyei A képet Szelle György találta 2008.09.10-én A megbízhatók: http://www.vilagitas.org/ http://www.cie.co.at/ 2013.02.11. BME VIK http://www.litg.de/ 7
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 2013.02.11. BME VIK 8
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. 2013.02.11. BME VIK 9
A világítástechnika interdiszciplináris tudomány Mérnöki tudományok Világítástechnika Építészet Biológia Orvostudomány 2013.02.11. BME VIK 10
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 2013.02.11. BME VIK 11
Általános belsőtéri világításra vonatkozó előírások MSZ EN 12464-1:2012 Új fogalmak: activity area (tevékenységi terület?) Task area (munka terület) volt és maradt Work place itt új, de (munkahely ld MSZ EN12464-2:2007) Work station itt új (munkaállomás ld. MSZ EN 12464-2:2007) Background area (háttér) Roof light (felülvilágító) Window (ablak) IV. LED Konferencia, Budapest 12
Felosztás 2. Elméleti alapok, alapfogalmak fénykeltés fényforrások (működtető szerelvények előtétek, gyújtók) 2013.02.11. BME VIK 13
2007. Világítástechnikai Ankét 2013.02.11. BME VIK 14
Fényforrások 2013.02.11. BME VIK 15
Felosztás 2. Elméleti alapok, alapfogalmak fénykeltés fényforrások (működtető szerelvények előtétek, gyújtók) lámpatestek 2013.02.11. BME VIK 16
Lámpatestek 2013.02.11. BME VIK 17
Felosztás 2. Elméleti alapok, alapfogalmak fénykeltés fényforrások (működtető szerelvények előtétek, gyújtók) lámpatestek számítási alapok programok 2013.02.11. BME VIK 18
2013.02.10. PE 19
2013.02.10. PE 20
Felosztás 3. Fotometriai mérések 2013.02.11. BME VIK 21
Felosztás 3. Gyakorlati világítástechnika: Vizuális észlelés Vizuális komfort Káprázás, Működtetés, szabályozások Természetes világítás. 2013.02.11. BME VIK 22
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 2013.02.11. BME VIK 23 1844 retorta szén pálcával)
2013.02.11. BME VIK 24
Villamos izzólámpa (1879.október 19-21.) Menlopark Forrás:http://www.hpo.hu/ Magyar Szabadalmi Hivatal:Magyar feltalálók és szabadalmaik 2013.02.11. BME VIK 25
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 2013.02.11. BME VIK 26
A villamos világítás történetéből 1879 Menlopark 1878 Ganz villamos műhely Zipernowsky Károly (1853-1942) Forrás:http://www.hpo.hu/Magyar Szabadalmi Hivatal: Magyar feltalálók és szabadalmaik 2013.02.11. BME VIK 27
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 1884. Aug 16. Keleti 2013.02.11. BME VIK 28
Keleti anno 2013.02.11. BME VIK 29
1891 Philips 1884. 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 2013.02.11. BME VIK 30
Bay Zoltán Forrás:http://www.hpo.hu/Magyar Szabadalmi Hivatal:Magyar feltalálók és szabadalmaik 2013.02.11. BME VIK 31
1950 halogén izzó 1970 kompakt fénycső 1991 Indukciós lámpa 1990-s évek vége LED 2000 után energiahatékonyság 2009.09.01-től nincs 100 W izzó 2013.02.11. BME VIK 32
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. 2013.02.11. BME VIK 33
Alapfogalmak I. Sugárzástechnikai fénytechnikai alapok 2013.02.11. BME VIK 34
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, 2013.02.11. BME VIK 35
Elektromágneses sugárzás 2013.02.11. BME VIK 36
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. 2013.02.11. BME VIK 37
Az elemi, már oszthatatlan sugárzási mennyiség a foton, melynek energiája E=h ν, h=6,626 10-34 Js 2013.02.11. BME VIK 38
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 2 1 0 h-plank állandó (6,62610-34 Js) c 0 -fénysebesség(299792458 m/s) hc0 c 2 = χ κ-boltzmann állandó 1,38 10-23 JK -1 2013.02.11. BME VIK 39 1
2013.02.11. BME VIK 40
Sugárzási törvények Stefan Boltzmann tv. M = σt e 4 M e σ felületi teljesítmény, Stefan-Boltzmann állandó Értéke:5,67 10-8 W/m 2 K 4 Wien féle eltolódási tv λt= áll. 2013.02.11. BME VIK 41
Sugárzás - technikai alapok 2013.02.11. BME VIK 42
Láthatósági függvény Emberi szem érzékenységi görbéje λnm V(λ) 380 0,000.001 400 0,000 4 420 0,004 450 0,038 480 0,139 500 0,323 550 0,995 555 1,0 560 0,995 620 0,381 640 0,175 660 0.061 700 0,004 780 0,000.015 2013.02.11. BME VIK 43
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 0,1 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 hullám hossz, nm λ nm V (λ) 380 0,000.589 480 0,793 505 1,0 660 0.000.312.9 780 0,000.000.139 2013.02.11. BME VIK 44
Vizuális teljesítmény 2013.02.11. BME VIK 45
Mi a fény? A fény az optikai sugárzásnak az emberi szem által érzékelt része. 2013.02.11. BME VIK 46
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 2013.02.11. BME VIK 47
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 0,1 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 hullám hossz, nm 2013.02.11. BME VIK 48
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 2013.02.11. BME VIK 49
Besugárzás E =dφ /da W/m 2 dφ da 2013.02.11. BME VIK 50
Megvilágítás E v =dφ /da lm/m 2 =lx dφ da 2013.02.11. BME VIK 51
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 100.000 10.000 100 300 0,2 0,001 0,5 10 10 ---30 300 ---500 2013.02.11. BME VIK 52
Alapfogalmak folytatása Fényáram Ф v Sugárzott teljesítmény Ф e Megvilágítás környezetre Besugárzott felületi teljesítmény 2013.02.11. BME VIK 53
Alapfogalmak folytatása Fényáram Megvilágítás környezetre Fényerősség térbeli eloszlásra 2013.02.11. BME VIK 54
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 2013.02.11. BME VIK 55
Síkszög Térszög A B ϕ = AB r A merőleges vetület: dω= dacosα 2 r 2013.02.11. BME VIK 56
Fényerősség értelmezése 2013.02.11. BME VIK 57
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. 2013.02.11. BME VIK 58
Fényáram Besugárzás (besugárzott felületi teljesítmény) da Megvilágítás környezetre dω Fényerősség térbeli eloszlásra = da ( cosα) r 2 Sugárerősség E = dφ da I = dφ dω 2013.02.11. BME VIK 59
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 2013.02.11. BME VIK 60
A kapcsolat az előbbiek között a távolság törvény E = I ϑ ( cosα) r 2 Optikai határ távolság 2013.02.11. BME VIK 61
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 2012.02.13. BME VIK 62
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 1 2012.02.13. BME VIK φ 63
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 1.10 9 1,5. 10 9 2500 3000 3000 7000 100 1000 10.10 6 70.10 3 140.10 3 3000 14.000 1 200 0,1 5 2012.02.13. BME VIK 64
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) 2012.02.13. BME VIK 65 ϑ
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 -1 2012.02.13. BME VIK 66
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 -1 2012.02.13. BME VIK 67
Lambert féle koszinusztörvény 1. I = I cosϑ ϑ 0 L= I ϑ Acos ϑ I 0 L= A 2012.02.13. BME VIK 68
Lambert koszinusztörvény 2. A felület világosság eloszlása félgömbbel jellemezhető. R sinθ dθ R dφ Θ R φ 2012.02.13. BME VIK 69
Lambert sugárzó esetén: L ρ = E π Közvilágításban: L = qe 2012.02.13. BME VIK 70
Egyéb fogalmak Fényhasznosítás Definíció: A fényforrás által kibocsátott fényáram és a felvett villamos teljesítmény hányadosa. η * = Φ/P Jele: η * Mértékegysége: lm/w 2012.02.13. BME VIK 71
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) 80-200 2012.02.13. BME VIK 72