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無極燈照明的基礎(chǔ)知識
無極燈照明的基礎(chǔ)知識
1.1光的本質(zhì)人們通常所說的光是指“可見光”,它是由光源發(fā)出的輻射能中的一部分,并能產(chǎn)生視覺效應(yīng)。從量子物理的觀點(diǎn),光具有二重性:粒子性和波動性。單個(gè)光子呈粒子性,密集光子的集合衍射便呈現(xiàn)出波動性。
所以,光是一種電磁輻射能,即電磁波,光線的方向也就是波傳播的方向。將各種電磁波按波長依次排列,就成為電磁波譜,如圖1-1所示
圖(1-1)電磁波譜及可見光光譜
在圖1-1中的頻譜分布可以看出,可見光在整個(gè)波譜中僅占極小的部分。
1.2可見光譜
人類視覺能感受到的電磁波可見部分的波長范圍大約在380nm至780nm之間(1nm=10 -6mm),而不同波長的光給人的顏色感覺也不同。波長從380nm向780nm遞增時(shí),光的顏色從紫色開始,按藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅的順序逐漸變化,兩種顏色之間沒有明顯的分界。將全部可見光波混合在一起就形成日光,即白色光。
1.3紫外和紅外輻射
太陽光和光源在發(fā)出可見光的同時(shí),都會有紫外和紅外輻射,只是眼睛視覺反應(yīng)不出來而已。太陽光譜中,波長大于1400nm的光波被大層中的水蒸氣和二氧化碳強(qiáng)烈吸收;波長小于290nm的光波被大氣層中的臭氧所吸收。人類在進(jìn)化過程中紫外光和紅外光對眼睛不產(chǎn)生視覺反應(yīng)。
l 波長小于320nm的紫外輻射對生物組織有損害。
l 波長在260nm處的紫外輻射滅菌效應(yīng)大。
l 波長253.7nm的紫外線作用于三基色粉或熒光粉會產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)。
l 波長大于780nm的近紅外光譜會產(chǎn)生熱。對光源來說,由于紅外線的存在而損失了光效能,產(chǎn)生了不需要的熱。
l 白熾燈因鎢絲加熱時(shí)產(chǎn)生太多看不見的紅外光,所以光效低。
l 低壓汞蒸氣放電燈會產(chǎn)生253.7nm的紫外輻射,因此,提高發(fā)光效率,控制紫外輻射的泄漏分量十分重要。
1.4 光的基本度量單位
1.4.1光通量
光通量是視覺響應(yīng)的計(jì)量。定義為:光源在單位時(shí)間內(nèi)向周圍空間輻射并引起視覺的能量,稱為光通量,符號Ф,單位為流明(Lm)。
l 光通量的測量必須在積分球內(nèi)進(jìn)行;
l 人眼對不同波長的光的靈敏度不一樣,對波長為555nm的黃、綠光靈敏,波長離555nm越遠(yuǎn),靈敏度越低;
l 對某一特定的光源來說,不僅要測量它的光通量,而且要展示它的頻譜分布,評價(jià)它的視覺效果。
1.4.2發(fā)光強(qiáng)度
光源在空間某一特定方向上單位立體角內(nèi)輻射的光通量空間密度,稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度,簡稱光強(qiáng),用Iθ表示,單位為坎德拉(cd)。其計(jì)算公式為:
Iθ= (1-1)
式中 ωθ——球面所對應(yīng)的立體角(Sγ);
Фθ——在ω立體角內(nèi)所輻射的光通量(Lm)。
以點(diǎn)光源為球心,γ為半徑,則整個(gè)圓球所對應(yīng)的立體角為:
ω==4π(Sγ) (1-2)
l 淺釋:桌子上方有一盞無罩的白熾燈,在加上燈罩后,桌面顯得亮多了。而同一燈泡不加罩與加燈罩,它所發(fā)出的光通量是一樣的,只不過加上燈罩后,光線經(jīng)燈罩反射,使光通量在空間的分布狀況發(fā)生了變化,射向桌面的光通量比未加罩時(shí)增多了。因此,在電氣無極燈照明技術(shù)中,必須了解光通量在空間各個(gè)方向上的分布情況。
1.4.3 照度
定義為:投射到被照面上的光通量與被照面的面積之比稱為該面的照度,符號E.
E= (1-3)
式中 Ф — 被照面上接受的光通量(Lm)
S — 被照面的面積(m2 )
當(dāng)被照面與入射光線不垂直時(shí),計(jì)算公式為:
E= (1-4)
式中 Iθ — 光線入射方向的光強(qiáng)(cd)
θ — 光線的入射角;
γ — 光源到照射面的距離(m)。
l 照度的單位為勒克斯(Lx),1Lχ=1Lm/m2
l 感性認(rèn)識:1只40W白熾燈1米遠(yuǎn)處的照度約為30Lx,加一搪瓷罩后增加到73 Lx。深圳12月份上午10時(shí)正對太陽光的照度為4.65X104 Lx~5.25X104 Lx;單邊高樓陰影下的照度約為8250~12000 Lx;樹蔭下的照度約為2050~2280 Lx。大馬路14.5米高的雙泡路燈(400W高壓鈉燈+250W金鹵燈)垂直地面照度為55~68 Lx。由此可見,人造光源與太陽光相比實(shí)在太渺小。
1.4.4 亮度
定義:發(fā)光體在視線方向單位投影面上的發(fā)光強(qiáng)度稱為該物體表面的亮度,符號L,單位為坎德拉每平方米(cd/m2)。表達(dá)式為:
L= (1-5)
式中 Iθ — 發(fā)光體在視線方向上的光強(qiáng)(cd);
Scosθ — 發(fā)光體在視線方向上的投影面積;
θ — 視線方向與發(fā)光面法線(垂線)的夾角。
l 在同一位置上并排放置一個(gè)黑體和一個(gè)白色體,雖然它們的照度一樣,但人眼看起來白色體要亮得多。這是因?yàn)槿搜鄣囊暰W(wǎng)膜上的照度是被視物體在沿視線方向上的發(fā)光強(qiáng)度造成的,而白色體的反光要比黑色體強(qiáng)得多,所以感到白色體比黑色體亮得多。
小結(jié):
² 光 通 量 —— 說明發(fā)光體發(fā)出的光線數(shù)量;
² 發(fā)光強(qiáng)度 —— 發(fā)光體在某個(gè)方向上發(fā)出的光通量密度,它表明了光
通量在空間的分布情況;
² 光 照 度 —— 表示被照表面接受光通量密度,用來鑒定被照面的照
明情況;
² 光 亮 度 —— 表示發(fā)光體單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度,它表明一個(gè)物體
的明亮程度。
² 光通量、光強(qiáng)度、光照度和光亮度相互關(guān)系示意圖:
光源
光源亮度L
光通量 眼睛
物體亮度L
發(fā)光強(qiáng)度Iθ
Ф
照度E 被照面
1.2無極燈照明電光源
將電能轉(zhuǎn)換為光能,從而獲得光通量的設(shè)備、器具則稱為無極燈照明電光源。十九世界愛迪生發(fā)明了白熾燈,開始了電光無極燈照明的新紀(jì)元。
1.2.1電光源的分類
電光源按其發(fā)光原理主要可分為兩大類:熱輻射光源(即固體電光源)和氣體放電光源。
1.2.2固體熱輻射光源
利用電流將金屬或陶瓷之類的物體加熱到白熾程度而產(chǎn)生發(fā)光的光源,白熾燈和LED燈屬于此類。
1.2.3氣體放電光源
在電場作用下,電流通過電離的氣體而發(fā)射光的光源。按放電形式可分
弧光放電燈和輝光放電燈。
l 目前常用的燈有白熾燈、LED燈、熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、霓虹燈等。
l 白熾燈光效低、壽命短、顯色性高,價(jià)格便宜,多用于家庭。
l LED燈可做成矩陣排列、圖形,光效提高,壽命長,較貴,一般用于交通指揮燈、 路標(biāo)字幕、廣告排……等。要配備專用電源才能工作。
l 高壓鈉燈光效高,壽命較長,顯色性差,功率可高達(dá)1000W以上,適用路燈或廣 場用燈,需配備啟動器件或?qū)S秒娐凡拍芄ぷ鳌?br /> l 金鹵燈光效高,壽命較長,顯色性好,功率可由70W至1000W,適用于路燈、廣場用燈,需配備啟動器件才能工作。
l 霓虹燈做成彩色條管,可拼成文字、廣告圖形美化城市,需配備專用電路才能工作。
l 高頻無極燈壽命特長,光效高,顯色性好,環(huán)保無公害,是21世紀(jì)優(yōu)秀的電光源,目前電功率有待提升,價(jià)格有待降低。它應(yīng)用范圍廣泛,需配備專用電子鎮(zhèn)流器。
注:1.低氣壓燈放電時(shí),燈內(nèi)氣壓約為1%大氣壓,例如熒光燈。
2.高氣壓燈放電時(shí)燈內(nèi)氣壓為幾個(gè)至數(shù)十個(gè)大氣壓,例如高壓鈉燈、金鹵燈、高壓氙燈、鏑燈…等。
1.2.4 電光源的特性
以下參數(shù)用來表征電光源的特性。
l 額定電壓和額定電流:指電光源按預(yù)定要求工作所需要的電壓和電流。偏離額定值工作會影響電光源的效能和壽命。
l 額定功率:指電光源工作在額定電壓和額定電流時(shí)所消耗的有功功率。
表達(dá)式:P=VIcosα
式中 P — 額定功率(W);
V — 額定電壓(V);
α — 額定功率因數(shù)。
l 額定光通量:指電光源在額定工作條件下發(fā)出的光通量,單位為流明(Lm);
l 發(fā)光效率:指電光源每消耗1W電功率所發(fā)出的光通量,單位為Lm/W;消耗的電功
率是從市電輸入端測量的,稱系統(tǒng)光效;
l 光衰:電光源在額定工作條件下,隨著使用時(shí)間的延長,額定光通量和光效都會逐
漸降低。衰減系數(shù)可用下式表示:
DF=(額定功率不變條件下)
式中 ФF 電光源的初始光通量;
ФE 電光源使用一定時(shí)間后的光通量。
或 DF=
式中 DFƒ — 電光源的初始光效;
DFe — 電光源使用一定時(shí)間后的光效。
l 壽命:必須指出的是燈壽命的要領(lǐng)闡明仍懸而未決,某些制造廠考慮燈和燈具的衰退,另一些制造廠則定義為“一批試驗(yàn)燈中有50%存活的時(shí)間。”而參閱藉鳳榮等人編寫的材料,電光源的壽命有全壽命、有效壽命、平均壽命三種。
全 壽 命 —— 電光源直到完全不能使用為止的全部時(shí)間;
有效壽命 —— 電光源的發(fā)光效率下降到初始值的70%時(shí)的使用時(shí)間;
平均壽命 —— 指每批抽樣調(diào)試品有效壽命的平均值。
此處認(rèn)同“平均壽命”的提法比較合理。
l 色溫:黑體被加熱到不同溫度時(shí),人眼所看到黑體所呈現(xiàn)出的不同顏色,以此表達(dá)一個(gè)光源的光色,稱為光源的色溫。色溫以絕對溫標(biāo)K為單位。
l 相關(guān)色溫:熒光燈等電光源所發(fā)射的光的顏色與黑體在某一溫度所發(fā)射的光的顏色接近時(shí),黑體的這個(gè)溫度就稱為該電光源的相關(guān)色溫。
表(1)常用電光源的色溫
電光源名稱 | 色溫(K) | 電光源名稱 | 色溫(K) |
白熾燈 | 2800~2900 | 熒光高壓汞燈 | 5500 |
鹵鎢燈 | 3000~3200 | 高壓鈉燈 | 2000~2400 |
日光色熒光燈 | 4500~6500 | 金鹵燈(鹵化錫) | 5000 |
白光色熒光燈 | 3000~4500 | 金鹵燈(鈉銦鉈) | 5000~5600 |
暖色熒光燈 | 2700~2900 | 鏑燈 | 5500~6000 |
氙燈 | 5500~6000 | 高頻無極燈 | 2700~6500 |
大于5000K為冷色; 3300~5000K為中間; 小于3300K為暖色。
l 顯色性:指在光源無極燈照明下,與具有相同或相近色溫的黑體或日光的無極燈照明相比,各種顏色在視覺上的失真程度。顯色指數(shù)以Ra表示。
電光源名稱 | 顯色指數(shù)OK | 電光源名稱 | 顯色指數(shù)OK |
白熾燈 | 97 | 熒光高壓汞燈 | 22~51 |
鹵鎢燈 | 80~94 | 高壓鈉燈 | 20~30 |
日光色熒光燈 | 75~85 | 鈉銦鉈 | 60~65 |
白光色熒光燈 | 80~90 | 鹵化錫燈 | 93 |
氙燈 | 95~97 | 高頻無極燈 | >80 |
光源的色溫與顯色性之間沒有必然的聯(lián)系,具有不同光譜能量分布的光源可能有相同的色溫,但顯色性卻可能差別很大。
對一種電光源特性優(yōu)劣的評價(jià)必須全面、綜合考慮,不能只突出單項(xiàng)指標(biāo),光效、壽命、顯色性、色溫、光衰等基本指標(biāo)都要同時(shí)顧及。目前能全部兼顧上述各項(xiàng)指標(biāo)要求的電光源只有高頻無極燈。
1.3頻閃效應(yīng)與光污染
時(shí)下人們對光污染的討伐呼聲越來越大,而光污染的主要來源正是電光源的頻閃效應(yīng)。
1.3.1 頻閃效應(yīng)
普通電光源都利用工頻交流電供電,工頻頻率為50Hz/60Hz,以熒光燈為例。熒光燈在用交流電源工作時(shí),燈管兩端電壓的極性不斷改變;當(dāng)電流過零時(shí)的瞬間發(fā)出的光通量也為零。電光源光通量強(qiáng)弱的周期性變化,與供電頻率(50Hz/60Hz)相同,簡稱為頻閃。由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象和熒光粉的余輝作用,人們感受不到這種強(qiáng)弱變化的波動。
l 定義:電光源的光通量Ф隨交流電源電壓相位周期性變化而變化,且使人眼產(chǎn)生視覺疲勞或視覺錯(cuò)誤的現(xiàn)象稱為頻閃效應(yīng),通常用波動深度δ來度量:
δ=×100%
式中 Φmax — 光通量大值
Φmin — 光通量小值
各類電光源光通量波動深度比較
光源種類 | 工作頻率 Hz | 波動深度 % |
白熾燈 | 50 | 5~15 |
鈉燈、金鹵燈 | 50 | 80~130 |
熒光汞燈 | 50 | 65 |
電感式熒光燈 | 50 | 55 |
電子熒光燈 | 40~50K | 15~10 |
高頻無極燈 | 2650K | ≈0 |
l 頻閃除引起人的疲勞、頭昏眼花等不適外,在工場工作環(huán)境中,當(dāng)被照物體處于轉(zhuǎn)
動狀態(tài),且轉(zhuǎn)動速度剛好是電源頻率的整數(shù)倍時(shí),則轉(zhuǎn)動物體(例為機(jī)床加工件)看上去好像沒有轉(zhuǎn)動一樣。這種錯(cuò)覺容易造成事故的發(fā)生。
特別要指出的是近十多年來青少年近視眼的比例越來越高。這一令人擔(dān)憂的趨勢雖不能全部歸罪于燈下做作業(yè)的光污染,但從統(tǒng)計(jì)規(guī)律看來,它的確與長期浸染在電光源下的頻閃效應(yīng)直接相關(guān)。在點(diǎn)蠟燭和煤油燈的時(shí)代,書生們近視的比例就遠(yuǎn)沒有當(dāng)今那么高。
l 照說太陽光自然而柔和,不存在“頻閃”。早晨與黃昏的太陽的確十分柔順舒適,但在上午11時(shí)至下午4時(shí)這段時(shí)間,太陽光也會表現(xiàn)出強(qiáng)烈的“頻閃”??蒲腥藛T曾用光電科學(xué)儀器對太陽光進(jìn)行測試,證明從太陽光感測出來的隨機(jī)頻率約為0至數(shù)KHz,有時(shí)肉眼可以感受到太陽光“頻閃”的跳動,所以在太陽光下干活或讀書,也會感到容易疲勞和不適。
l 高頻無極燈完全消除了頻閃這一光污染的危害,而且眩光也較低,已成為當(dāng)今綠色無極燈照明領(lǐng)域中優(yōu)秀的新型電光源。
1.4無極燈照明燈具(另有專述,不作詳細(xì)介紹)
無極燈照明燈具看起來似乎很平常,其實(shí)它是一門專業(yè)性和綜合性都很強(qiáng)的技術(shù),涉及的范圍包括材料科學(xué)、金屬加工、幾何光學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué),甚至社會政治……等等;“亮化工程”就有著相當(dāng)濃厚的社會因素,強(qiáng)烈的燈光和各式各樣的燈具既美化了城市環(huán)境,也造成極大的能源浪費(fèi),同時(shí)給廣大的城市居民帶來不可忽視的光污染,相關(guān)報(bào)道頗多,在此不必詳述。
1.4.1 眩光
任何引起視覺不適的光稱為眩光。眩光常常是電光源與燈具的共同產(chǎn)物。眩光也是對過亮亮度的一種感受,常常與過分的對比相伴在一起,引起視覺不適,造成注意力分散。
評估一個(gè)光照場所某不適觀察點(diǎn)的眩光常用“眩光指數(shù)”表示:
眩光指數(shù)=10㏒10[]
式中 Lb — 背景亮度
W — 立體角
P — 經(jīng)驗(yàn)指數(shù)
通常眩光可分為“感覺到”、“能接受”、“不舒服”、“不能忍受”。雖然它們比較接近實(shí)際,但“感覺”的概念卻因人而異。
1.4.2 配光曲線
以極坐標(biāo)來表示光源在各個(gè)方向上發(fā)光強(qiáng)度的曲線,稱為該光源的配光曲線。如圖(4-2)所示。
圖(4-2)發(fā)光強(qiáng)度在空間的2分布和配光曲線
1.4.3 燈具
本文關(guān)鍵詞:照明基礎(chǔ)知識,無極燈照明基礎(chǔ)知識
本文小結(jié):
無極燈照明的基礎(chǔ)知識:無極燈照明電光源:將電能轉(zhuǎn)換為光能,從而獲得光通量的設(shè)備、器具則稱為無極燈照明電光源。十九世界愛迪生發(fā)明了白熾燈,開始了電光無極燈照明的新紀(jì)元。電光源的分類:電光源按其發(fā)光原.照明基礎(chǔ)知識,無極燈照明基礎(chǔ)知識......