Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Светотехнические установки и системы. Учебное пособие для обучающихся образовательных учреждений высшего образования
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Донецкий национальный технический университет»
В. В. Якимишина
СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ
Учебное пособие
для обучающихся образовательных учреждений
высшего образования
Донецк
2025
УДК 628.9(075.8)
ББК 31.294я73
Я45
Рекомендовано Ученым советом
ФГБОУ ВО «ДонНТУ» в качестве учебного
издания для обучающихся образовательных
учреждений высшего образования
(протокол № 6 от «27» июня 2025 г.)
Я45
Якимишина, В. В.
Светотехнические установки и системы : учеб. пособие для
обучающихся образоват. учреждений высш. образования /
В. В. Якимишина ; ФГБОУ ВО «ДонНТУ». – Донецк : ДонНТУ, 2025.
Систем. требования : просмотрщик PDF-файлов.– Загл. с титул. экрана.
Рецензенты:
Михеев Дмитрий Владимирович – кандидат технических наук, доцент,
заведующий кафедрой электроснабжения промышленных предприятий и
электротехнологий ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»;
Гладков Александр Юрьевич – кандидат технических наук, заведующий
лабораторией «Искробезопасности» ГБУ «МАКНИИ»;
Полковниченко Дмитрий Викторович – кандидат технических наук, доцент,
заведующий кафедрой электрических систем ФГБОУ ВО «ДонНТУ».
Автор:
Якимишина Виктория Викторовна – кандидат технических наук, доцент
кафедры электроснабжения промышленных предприятий и городов
ФГБОУ ВО «ДонНТУ».
В учебном пособии изложены теоретический материал и общие сведения
об основных понятиях и величинах светотехники ; дана характеристика
существующих искусственных источников света ; рассмотрены вопросы
нормирования освещения ; вопросы проектирования светотехнической и
электрической частей осветительных установок.
Издание предназначено для обучающихся по направлению подготовки
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», направленность (профиль)
«Электроснабжение», преподавателей и всех кому интересна данная
тематика.
УДК 628.9(075.8)
© Якимишина В. В., 2025
© ФГБОУ ВО «ДонНТУ», 2025
ББК 31.294я73
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………………….
4
1 Световые величины и единицы………………………………………….
4
1.1 Основные понятия……………………………………………………
4
1.2 Световые величины и единицы их измерения…………………….
8
2 Параметры сравнения источников света………………………………..
10
2.1 Технические параметры…………………………………………….
11
2.2 Эксплуатационные параметры………………………………………
12
3 Источники света…………………………………………………………..
13
3.1 Тепловые источники света………………………………………….
13
3.2 Газоразрядные лампы……………………………………………….
18
3.3 Индукционные лампы……………………………………………….
33
3.4 Светодиодные лампы………………………………………………..
35
4 Осветительные приборы…………………………………………………
37
5 Общие вопросы проектирования и нормирование осветительных
установок……………………………………………………………………
44
5.1 Нормирование освещения…………………………………………..
44
5.1.1 Нормирование освещенности…………………………………
45
5.1.2 Нормирование качественных показателей освещения………
47
5.2 Проектирование осветительных установок………………………..
50
5.2.1 Светотехнические расчеты…………………………………….
51
5.2.2 Электрические расчеты………………………………………..
59
Список использованных источников……………………………………..
71
4
с
ВВЕДЕНИЕ
Предметом изучения светотехники являются процессы генерирования,
перераспределения, изменения характеристик оптического излучения. Это
наука о свойствах света, о возможностях и принципах его использования. Для
работы органа зрения необходим свет. Около 80 % информации из окружающего мира человек получает благодаря зрению.
С конца 19-го века началось развитие электрических источников света.
Благодаря русским ученым А.Н. Лодыгину и П.Н. Яблочкову развитие электрических источников света шло по двум направлениям: «лодыгинское» – тепловые источники света и «яблочковское» – газоразрядные источники света. С
конца 1990-х–начала 2000-х начал активно развиваться третий тип электрических источников света – полупроводниковый. В настоящее время светодиодные
лампы повсеместно вытесняют и тепловые и газоразрядные источники света.
Для того, чтобы изучить принципы работы различных типов источников света,
их особенностей и области применения, необходимо определиться с параметрами, по которым источники света можно сравнивать.
Работа органов зрения зависит от условий освещения, а значит, качество
любой деятельности человека напрямую зависит от качества освещения. Появилась необходимость нормирования освещения, а это значит определения
конкретных параметров света, которые должны быть обеспечены на рабочем
месте.
В учебном пособии «Светотехнические установки и системы» изучаются
разновидности источников света, их принцип работы, осветительные приборы,
методы светотехнических расчетов и расчетов электрических осветительных
систем, правила и нормы искусственного освещения, способы регулирования
освещением, что необходимо для рационального проектирования и грамотной
эксплуатации установок электрического освещения.
1 СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ
1.1 Основные понятия
Свет – это электромагнитное излучение с определенными параметрами.
Общим для всех видов электромагнитных излучений является скорость их распространения в вакууме – принята величина
300 000 км/с. Скорость света
зависит от среды распространения. Наибольшую скорость свет имеет в вакууме
— 299792458 м/с. В более плотных средах скорость распространения света
меньше скорости в вакууме. Чем больше оптическая плотность среды, тем
меньше будет скорость света в этой среде.
Электромагнитное излучение характеризуется частотой колебаний или
длиной волны (т.е. расстояния, на которое распространяется излучение за время
одного колебания – за один период колебаний).
Частота f и длина волны связаны соотношением:
cf
10
-14
10
-12
10
-10
10
-8
10
-6
10-410
-2
1 10210
4
1 300 400
500
600 700 800 10
6
нм
м
Видимое
излучение
ИКУФ
Гамма-
лучи
Рентгеновские
лучи
Радиоволны
СВЧ, УКВ, КВ, СВ, ДВ
.
Если в электротехнике пользуются понятием «частота», то в светотехнике
и оптике принято характеризовать излучение длиной волны.
Спектр электромагнитных излучений представляет собой совокупность
однородных излучений (рис. 1.1). В спектре излучений можно выделить: гаммалучи; рентгеновские лучи; радиоволны и оптическое излучение, которое включает в себя ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение.
5
Радиоволны. Радио- и телевизионные волны имеют самые низкие часто-
ты (самые большие длины волн). Они позволяют передавать изображения и
звук, что является основой радио- и телевизионных станций, также используются в астрономических наблюдениях.
Микроволны легко распространяются по воздуху, даже при неблагоприятных атмосферных условиях (туман, осадки). Используются в радарах, радиои спутниковой связи, мобильной телефонии, GPS-навигации, связи Bluetooth.
Инфракрасное излучение (ИК) испускается всеми телами с температурой выше абсолютного нуля. Инфракрасное излучение широко используется в
промышленности, научных исследованиях, медицине, в военной технике. ИК
излучение воспринимается кожей, как тепло, применяется для сушки покрытий,
нагревания предметов и т.п. ИК-лучи применяются в машиностроительной, химической, автомобильной промышленности, микроэлектронике, а также в энергоснабжении.
Ультрафиолетовое излучение (УФ). Его источником являются Солнце и
различные лампы. УФ излучение оказывает биологическое действие (загар на
коже, убивает микробы, вызывает фотохимические реакции). Ультрафиолет
оказывает неблагоприятное воздействие на живые организмы, поэтому его используют в больницах, например, для стерилизации помещений или медицин-
Рисунок 1.1 – Спектр электромагнитного излучения
6
1 380
6
760 10
380 760
Цвет
Диапазон длин волн, нм
Фиолетовый
≤450
Синий
450—480
Голубой
480—510
Зелѐный
510—550
Салатовый
550—570
Жѐлтый
570—590
Оранжевый
590—630
Красный
≥630
ского оборудования. Ультрафиолетовое излучение также используется в криминалистике для наблюдения биологических следов, например, крови, а также
для считывания водяных знаков на банкнотах.
Рентгеновские лучи широко используются в медицинской диагностике
(рентген), поскольку они проникают через кожу и поглощаются костями.
Гамма-излучение — это электромагнитная волна с самой высокой ча-
стотой и самой короткой длиной волны. Оно гораздо более проникающее, чем
рентгеновские лучи, и может свободно проникать через бумагу, картон, Источниками этого излучения являются различные радиоактивные элементы. Некоторые из них используются в медицине и радиотерапии.
Оптическое излучение (ОИ) представляет собой область электромаг-
нитного излучения с длинами волн от 1 нм (нанометр – 10-9 метра) до 1 мм. Оптическая область спектра делится на:
- ультрафиолетовую (УФ) –
нм;
- инфракрасную (ИК) –
нм;
- видимое излучение (свет) – излучение, которое может вызывать зри-
тельное ощущение –
нм.
Излучение с разной длиной волны воспринимается глазом по-разному:
Белый свет – это совокупность всех или нескольких цветов, взятых в
определенной пропорции. УФ и ИК излучения глазом не воспринимаются.
Чувствительность человеческого глаза к цветам обусловлена наличием в
сетчатке трех типов фоторецепторов, называемых колбочками. Каждый тип
колбочек чувствителен к разным цветам света: красному, зеленому и синему. В
зависимости от соотношения этих трех цветов, регистрируемых колбочками, в
мозге формируется впечатление о полученном цвете. Центр области видимого
света находится на длине волны около 555 нм, что соответствует желтозеленому цвету. К свету этого цвета чувствительность глаза наиболее высока –
рисунок 1.2.
Самым известным источником оптического излучения является Солнце.
Его поверхность (фотосфера) нагрета до температуры 6000 градусов по Кельвину и светит ярко-белым светом (максимум непрерывного спектра солнечного
излучения расположен в «желто-зелѐной» области 550 нм, где находится и мак-
7
0
400
0,4
0,6
0,8
500 600 , нм
V'( )
V( )
V'( )
V( ),
0,2
V(λ)
V(λ)
симум чувствительности глаза). Именно потому, что мы родились возле такой
звезды, этот участок спектра электромагнитного излучения непосредственно
воспринимается нашими органами чувств.
Рисунок 1.2 – Относительная чувствительность глаза к излучению раз-
личной длины волны
Международный комитет мер и весов в 1933 году принял единую стандартную чувствительность глаза к излучению разных цветов для дневного зрения. На рис. 1.3 представлены кривые спектральной чувствительности глаза для
дневного и ночного зрения.
На основе кривой для дневного зрения построена вся система световых
величин и единиц измерения [1]. Максимум кривой лежит в желто-зеленой части спектра и приходится на длину волны 555 нм. Если света мало, кривая
смещается в сторону коротких длин волн, т.е. в сторону синих цветов (ночью
голубые и синие цвета кажутся светлее, а красные становятся черными).
- для дневного зрения;
- для ночного зрения
Рисунок 1.3 – Кривые спектральной чувствительности глаза
8
S
R
I
2
S
R
Единица измерения – стерадиан, ср.
Ф
I
Ф
ES
1.2 Световые величины и единицы их измерения
Для оценки количественных и качественных параметров света разработана специальная система световых величин [2,10].
Световой поток (Ф) – количество световой энергии, излучаемое источ-
ником света в единицу времени; т.е. это мощность светового излучения.
Единицы измерения – люмен, лм.
1 люмен – это излучение мощностью 1/683 Вт с длиной волны 555 нм.
Световая энергия распространяется в пространстве во все стороны на 360
градусов от излучателя. Если еѐ направить нужным образом, т.е. сосредоточить
в некоторой части пространства, то эта часть (доля) пространства будет характеризоваться телесным угломю
Телесный угол – отношение площади, вырезаемой этим углом на сфере
произвольного радиуса R, к квадрату этого радиуса.
Сила света (I) – отношение светового потока, заключенного в какомлибо телесном угле, к величине этого угла.
.
Единицы измерения – кандела, кд.
Сила света определяется как плотность светового потока в пространстве
или угловая плотность. В зависимости от угла освещения сила света имеет различные значения. При расчетах освещения пользуются специально построенными кривыми распределения силы света или таблицами.
Освещенность (Е) – величина светового потока, приходящаяся на еди-
ницу площади освещаемой поверхности.
.
Единицы измерения – люкс, лк.
Один Люкс – это освещенность, при которой световой поток, попадающий на один квадратный метр освещаемого тела, равен одному Люмену.
То есть 1 Люкс = 1 Люмен /1 м2.
Освещенность показывает, сколько именно светового излучения попало
от источника на конкретную поверхность. Она зависит не только от светового
потока, но также от числа источников света, расстояния освещаемой поверхности от них, а также направления и угла рассеивания света.
Яркость поверхности (L) – отношение силы света, излучаемой этой по-
верхностью в каком-либо направлении, к площади проекции этой поверхности
на плоскость, перпендикулярную выбранному направлению.
9
S
L
I
90
cos
I
L
S
Единицы измерения –
кд/м2.
отраженный
падающий
Ф
Ф
1
прошедший
падающий
Ф
Ф
поглощенный
падающий
Ф
Ф
Яркость зависит от свойств самих предметов, а именно – от их способности отражать падающий свет. Она описывает количество света, которое проходит через определенную область, излучается из нее или отражается от нее и попадает в пределах заданного телесного угла. То есть, зависит яркость не только
от количества падающего на объект света, но и от характеристик объекта, его
размера, от угла и среды наблюдения.
При попадании излучения на тело часть света отражается, а другая проходит внутрь среды. В среде часть излучения может поглотиться или рассеяться
(при наличии в ней неоднородностей), а остальная часть пройти через неѐ. Поглощѐнное излучение превращается в тепло или излучается с другой длиной
волны [10].
Способность предметов отражать падающий на них свет характеризуется
коэффициентом отражения . Коэффициент отражения – отношение величи-
ны светового потока, отраженного от какой-либо поверхности, к световому потоку, падающему на эту поверхность от какого-либо источника света.
.
В природе нет материалов, отражающих весь падающий свет, т.е. материалов, у которых
. Доля света, которая не отражается, делится на две части
– одна часть проходит сквозь материал и характеризуется коэффициентом
пропускания :
,
Коэффициент пропускания является основной светотехнической характеристикой витражей, витрин, светопроемов, состоящих из различной комбинации непрозрачных и светопропускающих элементов из различных видов стекол
– окрашенных либо прозрачных, без покрытия или с покрытиями, узорчатых,
армированных, многослойных и т.д.
Часть излучения, которая поглощается материалом и характеризуется ко-
эффициентом поглощения :
Соотношения между этими тремя коэффициентами могут быть разными,
но во всех случаях сумма трех коэффициентов равна единице.
.
10
1
Параметры источников света
Технические Эксплуатационные
электрические
световые
механические
.
Значения коэффициентов отражения стен, потолка, рабочей поверхности
используются в светотехнических расчетах.
При рассмотрении спектра электромагнитных излучений нужно учитывать то, что некоторые газоразрядные источники света имеют также источник
невидимого ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Исходя из этого,
необходимо выяснить биологическое и фотохимическое действие этих излучений, использование этих излучений в технике.
Вопросы для самоконтроля:
1. Чем характеризуется электромагнитное излучение?
2. Что собой представляет спектр электромагнитных излучений?
3. Что показывает кривая спектральной чувствительности глаза?
4. Какие световые величины используются для оценки количественных и
качественных параметров света?
5. Физический смысл понятия «освещенность».
6. От чего зависит и как определяется яркость поверхности?
7. Дайте определение коэффициентов отражения, пропускания, поглоще-
ния.
2 ПАРАМЕТРЫ СРАВНЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
Чтобы иметь возможность для сравнения искусственных источников света, необходимо изучить параметры, которыми источники света характеризуются [2]. Все параметры можно разделить на технические и эксплуатационные –
рис. 2.1. Технические параметры заложены в самом принципе работы источника света и никак не зависят от условий его эксплуатации.
Рисунок 2.1 – Параметры источников света
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]