Giáo trình Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
Đà Nẵng tháng 03-2009
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
LỜI CẢM ƠN
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị được biên soạn làm tài liệu giảng dạy chính thức cho
ngành Kỹ thuật hạ tầng đô thị, Trường Đại học kiến trúc Đà Nẵng. Trong quá trình biên soạn,
tác giả đã nhận được sự ủng hộ, động viên cũng như ý kiến đóng góp và sự giúp đỡ của các tổ
chức, cá nhân sau đây:
- Các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Kỹ thuật hạ tầng đô thị và Quản lý xây dựng.
- Phòng Quản lý điện, Sở Công Thương thành phố Đà Nẵng.
- Công ty Quản lý vận hành điện chiếu sáng công cộng Đà Nẵng
- Công ty Schréder Việt Nam.
- Gia đình và bạn bè đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó.
Do biên soạn lần đầu với thời gian, kinh nghiệm có hạn, chắc chắn tập bài giảng này còn
có nhiều thiếu sót, tác giả rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các đồng nghiệp, sinh
viên và bạn đọc quan tâm đến lĩnh vực chiếu sáng để tiến tới biên soạn thành giáo trình hoàn
chỉnh phục vụ công tác giảng dạy, học tập cũng như công tác của sinh viên sau khi ra trường.
Các ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ:
Văn phòng Khoa Kỹ thuật hạ tầng đô thị và Quản lý xây dựng
Tầng 4, Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
Số 566 Núi Thành, quận Hải Châu, thành phố Đà Nẵng.
Email : [email protected]
Tác giả
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
1
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................ 5
LỊCH SỬ CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ ......................................................... 5
CHƯƠNG 1............................................................................................................................................ 7
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO ÁNH SÁNG....................................................... 7
1.1. Bản chất của ánh sáng ................................................................................................................. 7
1. Bản chất sóng - hạt của ánh sáng: .............................................................................................. 7
2. Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục............................................................................... 7
3. Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch................................................................................... 8
1.2. Một số hiện tượng phát sáng và phạm vi ứng dụng trong chiếu sáng nhân tạo:......................... 9
1. Hiện tượng phát sáng do nung nóng: ......................................................................................... 9
2. Hiện tượng phát sáng do phóng điện: ........................................................................................ 9
3. Hiện tượng phát sáng huỳnh quang.......................................................................................... 11
4. Hiện tượng phát sáng lân quang............................................................................................... 11
5. Hiện tượng phát sáng thứ cấp:.................................................................................................. 12
1.3. Các đại lượng cơ bản đo ánh sáng............................................................................................. 12
1. Góc khối (còn gọi là góc đặc, góc nhìn) .................................................................................. 12
2. Thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy......................................................... 14
3. Quang thông............................................................................................................................. 15
4. Quang hiệu ............................................................................................................................... 16
5. Cường độ sáng.......................................................................................................................... 16
6. Độ rọi........................................................................................................................................ 17
7. Độ sáng (còn gọi là độ trưng): ................................................................................................. 18
8. Độ chói..................................................................................................................................... 19
9. Nhiệt độ màu:........................................................................................................................... 19
10. Độ hoàn màu (còn gọi là chỉ số thể hiện màu):...................................................................... 20
1.4. Các định luật quang học và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng :............................................ 21
1. Sự phản xạ:............................................................................................................................... 21
2. Sự truyền xạ : ........................................................................................................................... 22
3. Sự khúc xạ:............................................................................................................................... 23
4. Sự che chắn: ............................................................................................................................. 24
5. Sự hấp thụ: ............................................................................................................................... 24
6. Định luật Lambert về sự khuyếch tán đều :.............................................................................. 25
CHƯƠNG 2.......................................................................................................................................... 27
MẮT NGƯỜI VÀ SỰ CẢM THỤ ÁNH SÁNG................................................................................. 27
2.1 Cấu tạo mắt người ...................................................................................................................... 27
1. Hiện tượng thị giác:.................................................................................................................. 27
2. Hiện tượng điều tiết của mắt:................................................................................................... 27
3. Võng mạc: ................................................................................................................................ 27
4. Khái niệm “con mắt quốc tế”:.................................................................................................. 27
2.2 Sự giải mã hình ảnh:................................................................................................................... 28
2.4 Cảm giác chiều sâu của vật cần nhìn: ........................................................................................ 28
2.5 Cực cận và cực viễn của mắt :.................................................................................................... 29
2.6. Trường nhìn của mắt :............................................................................................................... 29
2.7 Độ tương phản :.......................................................................................................................... 29
2.8 Hiện tượng chói lóa:................................................................................................................... 30
1. Khái niệm:................................................................................................................................ 30
2. Giải thích hiện tượng chói lóa :................................................................................................ 30
3. Các chỉ số kiểm soát chói lóa................................................................................................... 31
CHƯƠNG 3.......................................................................................................................................... 33
CÁC LOẠI NGUỒN SÁNG NHÂN TẠO THÔNG DỤNG .............................................................. 33
3.1 Bóng đèn nung sáng:.................................................................................................................. 33
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
2
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
1. Cấu tạo của bóng đèn nung sáng (hình 3.1):............................................................................ 33
2. Một số loại bóng đèn nung sáng thông dụng: .......................................................................... 34
3.2 Bóng đèn huỳnh quang............................................................................................................... 35
1. Đặc điểm cấu tạo:..................................................................................................................... 35
2. Một số bóng đèn huỳnh quang thông dụng.............................................................................. 37
3.3 Bóng đèn phóng điện cường độ cao (HID) ................................................................................ 38
1. Cấu tạo của bóng đèn phóng điện: ........................................................................................... 38
2. Một số loại bóng đèn phóng điện HID thông dụng:................................................................. 39
3.4 Đèn phát sáng quang điện (LED: Lighting Emitting Diode) ..................................................... 43
3.5 Đèn cảm ứng (đèn không điện cực) ........................................................................................... 44
3.6 Đèn Sulfua :................................................................................................................................ 44
CHƯƠNG 4.......................................................................................................................................... 46
CẤU TẠO CỦA BỘ ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG ................................................................. 46
4.1. Cấu tạo chung của một bộ đèn chiếu sáng công cộng............................................................... 46
4.2. Các bộ phận chính của bộ đèn chiếu sáng công cộng............................................................... 47
1. Tấm phản quang....................................................................................................................... 47
2. Thiết bị mồi đèn (tắc te) và chấn lưu ....................................................................................... 47
3. Kính bảo vệ .............................................................................................................................. 48
4. Lỗ đui đèn................................................................................................................................. 49
4.3. Các thông số cơ học chủ yếu của bộ đèn chiếu sáng công cộng............................................... 49
1. Độ kín (IP)................................................................................................................................ 50
2. Cấp bảo vệ cơ học chống nổ (còn gọi là độ chịu va đập của kính đèn) .................................. 50
3. Diện tích cản gió ...................................................................................................................... 51
4. Chỉ tiêu lão hóa kính bảo vệ..................................................................................................... 51
5. Trọng lượng.............................................................................................................................. 51
4.4. Các thông số điện chủ yếu của bộ đèn chiếu sáng công cộng................................................... 51
1. Cấp cách điện ........................................................................................................................... 52
2. Độ dao động điện áp................................................................................................................. 52
4.5. Các thông số về quang học của bộ đèn chiếu sáng công cộng.................................................. 52
1. Hệ số suy giảm quang thông .................................................................................................... 52
2. Hệ số phản quang..................................................................................................................... 53
3. Đường cong trắc quang ............................................................................................................ 53
4. Hiệu suất của bộ đèn ................................................................................................................ 55
5. Cấp bộ đèn................................................................................................................................ 56
6. Hệ số sử dụng của bộ đèn......................................................................................................... 57
7. Góc bảo vệ................................................................................................................................ 58
4.6. Phân loại các bộ đèn chiếu sáng công cộng:............................................................................. 59
CHƯƠNG 5.......................................................................................................................................... 60
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG..................................................................... 60
5.1. Sơ lược về lịch sử các phương pháp, trình tự thiết kế............................................................... 60
5.2. Các tiêu chuẩn chiếu sáng đường giao thông............................................................................ 60
5.3. Các nguyên tắc cơ bản............................................................................................................... 60
1. Phương và vị trí quan sát của người lái xe............................................................................... 61
2. Độ chói mặt đường................................................................................................................... 61
3. Độ đồng đều của độ chói mặt đường ....................................................................................... 62
4. Hiện tượng chói loá trong trường nhìn..................................................................................... 63
5. Hiệu quả dẫn hướng tại các vị trí đặc biệt................................................................................ 65
5.4. Phương pháp tỉ số R trong thiết kế chiếu sáng :........................................................................ 65
1. Các thông số hình học bố trí đèn.............................................................................................. 66
2. Các phương án bố trí đèn ......................................................................................................... 67
3. Chọn công suất và loại bộ đèn ................................................................................................. 69
5.5. Phương pháp độ chói điểm trong thiết kế chiếu sáng ............................................................... 70
1. Độ chói của một điểm trên mặt đường..................................................................................... 70
2. Phân loại các lớp phủ mặt đường............................................................................................. 71
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
3
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
3. Tính toán độ chói và độ rọi điểm ............................................................................................. 72
4. Mạng lưới tính toán theo tiêu chuẩn mới CIE-140 .................................................................. 74
5.6. Thiết kế chiếu sáng tại các điểm đặc biệt trên đường giao thông ............................................. 77
1. Chiếu sáng tại điểm giao nhau đồng mức ................................................................................ 77
2. Chiếu sáng nút giao với đường sắt........................................................................................... 79
3. Chiếu sáng đường cong............................................................................................................ 80
4. Chiếu sáng bùng binh............................................................................................................... 80
5. Chiếu sáng đường hầm............................................................................................................. 81
5.7. Thiết kế chiếu sáng với sự trợ giúp của máy tính ..................................................................... 84
5.8. Sử dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng công cộng Ulysse 2.2 ................................................. 84
1. Khởi động................................................................................................................................. 85
2. Chọn phương án bố trí đèn....................................................................................................... 86
3. Chọn đèn và các thông số về đèn............................................................................................. 88
4. Xem kết quả và lập báo cáo ..................................................................................................... 90
5. Phân tích chi tiết màn hình xuất kết quả của Ulyse v2.2 ......................................................... 92
5.9. Một số nội dung thiết kế khác của hệ thống chiếu sáng đường giao thông .............................. 93
1 Thiết kế điện :............................................................................................................................ 93
2 Thiết kế xây dựng...................................................................................................................... 95
3 Thiết kế kết cấu ......................................................................................................................... 95
CHƯƠNG 6.......................................................................................................................................... 97
6.1. Nội dung quản lý, vận hành : .................................................................................................... 97
6.2. Cơ cấu tổ chức và trang thiết bị vận hành................................................................................. 98
6.3. Vấn đề tiết kiệm điện : .............................................................................................................. 98
6.4. Thực trạng quản lý vận hành..................................................................................................... 99
6.5. Tự động hoá công tác quản lý, vận hành hệ thống điện chiếu sáng :........................................ 99
CHƯƠNG 7........................................................................................................................................ 100
7.1. Chiếu sáng công viên, vườn hoa ............................................................................................. 100
1. Các nguyên tắc chung ............................................................................................................ 100
2. Chỉ tiêu kỹ thuật về chiếu sáng : ............................................................................................ 100
7.2. Chiếu sáng công trình thể thao ngoài trời - những nguyên tắc chung : .................................. 102
CHƯƠNG 8........................................................................................................................................ 105
8.1. Ô nhiễm ánh sáng.................................................................................................................... 105
8.2. Quy hoạch chiếu sáng ............................................................................................................. 106
PHỤ LỤC........................................................................................................................................... 108
1. Bảng giá trị và biểu thức hàm V(λ):........................................................................................... 108
2. Công suất và quang thông các loại đèn phóng điện thông dụng................................................ 108
3. Bảng phân loại các lớp phủ mặt đường :.................................................................................... 109
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................. 113
PHẦN BÀI TẬP................................................................................................................................. 114
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
4
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
MỞ ĐẦU
LỊCH SỬ CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO VÀ VAI TRÒ CỦA NÓ
Từ thời kỳ sơ khai con người đã biết tạo ra ánh sáng từ lửa, tuy nhiên lúc đó con người
dùng lửa với tư cách là nguồn nhiệt chứ không phải là nguồn sáng. Trải qua một thời kỳ dài
của lịch sử, con người mới phát minh ra loại đèn thắp sáng bằng chất khí. Sau khi nhà hoá
học người Áo K.Auer phát minh ra đèn măng sông chế tạo bằng chất chịu được nhiệt độ cực
cao đã cho ánh sáng trắng khi đốt cháy trong ngọn lửa chất khí thì đèn măng sông trở nên phổ
biến khắp các thành phố lớn trên thế giới, đến nỗi tưởng như không thể còn loại đèn nào có
thể thay thế được.
Tuy nhiên cuối thế kỷ 19 người ta bắt đầu nhận thấy ưu điểm khi thắp sáng bằng điện.
Cho đến nay người ta vẫn chưa biết chính xác ai là người đầu tiên chế tạo ra chiếc đèn điện
đầu tiên. Tuy nhiên để đi đến chiếc bóng đèn hoàn thiện như ngày nay chắc chắn phải có sự
cống hiến của nhiều nhà khoa học, trong đó người có công lớn nhất và là người đã đăng ký
bản quyền phát minh đầu tiên về bóng đèn dây tóc vào năm 1878 là Thomas Edison - một nhà
phát minh nổi tiếng của Mỹ. Để ghi nhận công lao và sự nỗ lực của ông trong việc đem ánh
sáng đến cho nhân loại mà ngày nay người ta đã tưởng nhớ ông như là cha đẻ của mọi loại
bóng đèn điện dùng sợi đốt.
Đêm 24/12/1879 Edison mời hàng trăm người thuộc đủ mọi thành phần trong xã hội ở
thành phố New York tới dự bữa tiệc tại nhà ông nhằm quảng cáo sản phẩm đèn điện do ông
chế tạo lần đầu tiên. Tại bữa tiệc này ông cho thắp sáng hàng loạt bóng đèn ở tất cả khu nhà
ở, xưởng máy, phòng thí nghiệm và sân vườn. Kết quả bữa tiệc đã giúp ông nhận được sự tài
trợ của chính quyền cho đề án thắp sáng thành phố. Cuối cùng, đến 5 h sáng ngày 04/9/1882
hàng trăm ngọn đèn trên các phố đồng loạt bật sáng làm cả một góc thành phố NewYork tràn
ngập ánh sáng điện, đánh dấu thời khắc lịch sử ánh sáng điện chinh phục bóng đêm. Đây có
thể được xem là thời điểm ra đời của ngành chiếu sáng đô thị.
Tại Việt Nam trước đây, chiếu sáng đô thị được xây dựng trên cơ sở lưới đèn chiếu sáng
công cộng được xây dựng từ thời Pháp thuộc, chủ yếu dùng bóng đèn sợi tóc. Đến năm 1975,
những ngọn đèn cao áp đầu tiên được lắp đặt tại khu vực quảng trường Ba Đình và lăng Chủ
tịch Hồ Chí Minh. Ngoài chiếu sáng đường phố, các loại chiếu sáng khác của đô thị như chiếu
sáng công viên, vườn hoa, chiếu sáng cảnh quan các công trình kiến trúc văn hoá, lịch sử, thể
thao, chiếu sáng tượng đài... hầu như chưa có gì.
Hội nghị chiếu sáng đô thị lần thứ nhất (4/1992) là một mốc khởi đầu cho sự phát triển
của ngành chiếu sáng đô thị Việt Nam. Thực trạng chiếu sáng đô thị lúc bấy giờ vẫn còn rất
kém, lạc hậu so với các đô thị trong khu vực. Sau Hội nghị chiếu sáng đô thị toàn quốc lần
thứ hai (12/1995) tổ chức tại Đà Nẵng, cùng với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế, lĩnh
vực chiếu sáng đô thị ở nước ta đã thực sự hình thành và phát triển. Hiện nay chúng ta đã có
Hội chiếu sáng đô thị Việt nam.
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
5
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
Vai trò của chiếu sáng đô thị:
Tại các nước phát triển, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm từ 8 đến 13% tổng điện
năng tiêu thụ. Hệ thống chiếu sáng đô thị bao gồm nhiều thành phần khác nhau, trong đó có
thể kể đến chiếu sáng phục vụ giao thông, chiếu sáng các cơ quan chức năng của đô thị...
Chiếu sáng đường phố tạo ra sự sống động, hấp dẫn và tráng lệ cho các đô thị về đêm,
góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân đô thị, thúc đẩy sự phát triển thương
mại và du lịch. Đặc biệt, hệ thống chiếu sáng trang trí còn tạo ra không khí lễ hội, sự khác
biệt về cảnh quan của các đô thị trong các dịp lễ tết và các ngày kỷ niệm lớn hoặc trong thời
điểm diễn ra các hoạt động chính trị, văn hóa xã hội cũng như sự kiện quốc tế.
Trong điều kiện thiếu hụt về điện năng của nước ta, đã có những lúc, những nơi chiếu
sáng quảng cáo bị coi là phù phiếm, lãng phí và không hiểu quả. Điều này xuất phát từ góc độ
tiêu thụ năng lượng mà chưa nhận thức tổng quát vai trò của chiếu sáng đô thị. Do đó cần có
sự đánh giá chính xác và khách quan về hiệu quả mà chiếu sáng đem lại không chỉ về mặt
kinh tế, mà còn cả trên các bình diện văn hóa - xã hội. Không chỉ nhìn nhận những hiệu quả
trực tiếp trước mắt, có thể tính được bằng tiền mà còn cả hiệu quả gián tiếp và lâu dài mà
chiếu sáng đem lại trong việc quảng bá, thúc đầy sự phát triển của thương mại, du lịch và dịch
vụ. Chỉ có như vậy, hệ thống chiếu sáng đô thị mới có thể phát triển và duy trì một cách bền
vững, đóng một vai trò ngày một xứng đáng trong các công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị.
Để làm được việc đó chúng ta phải đẩy mạnh việc nghiên cứu, ứng dụng, phát triển lý
thuyết về chiếu sáng đô thị ngày càng hoàn thiện nhằm xây dựng đô thị Việt Nam vừa mang
phong cách hiện đại vừa giữ gìn được nét truyền thống.
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
6
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
CHƯƠNG 1
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO ÁNH SÁNG
1.1. Bản chất của ánh sáng
1. Bản chất sóng - hạt của ánh sáng:
+ Ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X, sóng radio, sóng truyền hình,…tất cả đều là
những dạng năng lượng điện từ được truyền trong không gian dưới dạng sóng, cũng giống
như các bức xạ điện từ khác được đặc trưng bởi bước sóng λ, tần số ν, hoặc chu kỳ T với ν =
1/T hoặc c = ν.λ.
+ Có thể chia bước sóng thành các phạm vi sau, ta nhận thấy ánh sáng nhìn thấy chỉ là dải
hẹp từ 380nm-780nm:
• Từ 3000 m đến 1000 m
• Từ 1000 m đến 100 m
• Từ 100 m đến 10 m
Sóng dài (LW = long wave)
Sóng trung (MW = medium wave)
Sóng ngắn (SW = Short wave)
Sóng vô tuyến (FM)
Sóng rađa
• Từ 10 m đến 0,5 m
• Từ 0,5 m đến 1,0 mm
• Từ1000 µm đến 0,78 µm
• Từ 780 nm đến 380 nm
• Từ 380 nm đến 10 nm
• Từ 100 A0 đến 0,01 A0
• Từ 0,01 A0 đến 0,001 A0
Sóng hồng ngoại
Ánh sáng nhìn thấy
Tia cực tím (tia tử ngoại, UV)
Tia X
Tia γ, tia vũ trụ
( 1 µm = 10-6 m; 1 nm = 10-9 m; 1 A0 = 10-10 m)
+ Theo thuyết lượng tử, ánh sáng còn mang bản chất hạt (photon), có năng lượng E = hν=
hc / λ ; trong đó h là hằng số Plank = 6,626176 × 10-34Js
Tại sao các vật thể phát ra ánh sáng ? Ta phải dùng thuyết lượng tử để giải thích như sau:
+ Một photon bị biến mất khi nó va vào và đẩy một điện tử vòng ngoài lên trạng thái kích
thích ở các quỹ đạo xa nhân hơn Î sự hấp thu năng lượng ánh sáng của vật chất.
+ Một photon được sinh ra khi điện tử từ trạng thái kích thích chuyển sang một quỹ đạo
khác gần nhân hơn và tải đi một năng lượng mà nguyên tử bị mất dưới dạng tia sáng mà bước
sóng tỷ lệ nghịch với năng lượng được truyền đi Î sự phát ra năng lượng ánh sáng của vật
chất.
+ Như vậy căn cứ vào bước sóng ta có thể phân biệt được sóng ánh sáng và các dạng
năng lượng khác trên quang phổ điện từ.
2. Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục
+ Ánh sáng nhìn thấy khác với các dạng bức xạ điện từ khác ở khả năng làm kích hoạt
võng mạc của mắt người.
+ Vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dao động từ 380nm-780nm
+ Thí nghiệm đã chứng minh: dải phổ của ánh sáng mặt trời là dải quang phổ liên tục có
bước sóng thay đổi từ 380nm –780nm như hình sau:
+ Ánh sáng mặt trời được coi là nguồn sáng chuẩn để đánh giá chất lượng của nguồn sáng
nhân tạo.
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
7
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
Lăng kính
Ánh
sáng
mặt trời
Tia sáng đơn
sắc đầu ra
lăng kính
Phổ ánh sáng
nm
Hình 1.1_ Thí nghiệm quang phổ liên tục
+ Ánh sáng mặt trời có rất nhiều công dụng khác ngoài chiếu sáng : sinh ra vitamin D khi
tắm nắng buổi sáng, diệt vi khuẩn (do có một lượng rất bé tia cực tím), phát điện, phát nhiệt,
sấy khô,…
+ Hiện nay người ta đang nghiên cứu thiết bị dẫn ánh sáng tự nhiên vào trong các toà nhà
nhằm giảm tiền điện cũng như có lợi cho sức khoẻ.
3. Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch
Vật đen
Khe hẹp
Lăng kính
Đèn phóng
điện trong
chất khí
Hydro
Natri (Sodium)
Hình 1.2_Thí
nghiệm quang
phổ vạch
Heli
Neon
Thuỷ ngân
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
8
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
+ Ánh sáng nhân tạo có quang phổ đứt quãng (quang phổ vạch). Hình 1.2 là kết quả thí
nghiệm xác định quang phổ của một số nguồn sáng nhân tạo sau khi đi qua lăng kính:
+ Nói chung ánh sáng nhân tạo không tốt bằng ánh sáng mặt trời (xét dưới góc độ chiếu
sáng). Về mặt tâm - sinh lý, trải qua hàng triệu năm tiến hóa, hệ thần kinh của con người đã
thích nghi hoàn toàn với ánh sáng ban ngày nên với bất kỳ nguồn sáng nào không phải là ánh
sáng mặt trời đều không tốt đối với mắt. Ước mơ của con người luôn luôn hướng đến việc tạo
ra các nguồn sáng giống như ban ngày, do đó để đánh giá chất lượng của các nguồn sáng
nhân tạo người ta thường lấy ánh sáng ban ngày làm chuẩn để so sánh.
Ánh sáng đèn tuyp ta thường thấy cũng chỉ có màu xanh, tức là có quang phổ vạch mặc
dù ban đêm ta cảm thấy nó khá dễ chịu. Với sự tiến bộ của kỹ thuật, hiện nay người ta có thể
chế tạo các nguồn sáng có khả năng phát ra các bức xạ có quang phổ liên tục gần với ánh
sáng trắng như đèn xenon, song giá thành rất đắt nên chủ yếu dùng cho các loại xe hơi đắt
tiền.
1.2. Một số hiện tượng phát sáng và phạm vi ứng dụng trong chiếu sáng nhân tạo:
1. Hiện tượng phát sáng do nung nóng:
Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ > 00K đều bức xạ năng lượng dưới dạng sóng điện từ, khi
được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 10000K sẽ phát ra bức xạ ánh sáng (cũng là loại sóng
điện từ). Nhiệt độ càng cao thì cường độ ánh sáng tăng lên và màu sắc bề ngoài cũng trở nên
sáng hơn. Các loại đèn điện chiếu sáng thường dùng dòng điện để đốt nóng sợi đốt (dây tóc)
bằng kim loại. Hiện tượng phát sáng khi nung nóng bằng dòng điện được nhà khoa học Anh
Humphrey DaVy phát hiện năm 1802. Sau đó nhà phát minh người Mỹ Edison mới chế tạo ra
đèn sợi đốt đầu tiên.
Hiện tượng phát xạ ánh sáng do nung nóng được giải thích như sau: Khi có điện áp đặt
vào hai đầu dây tóc, các điện tử ở các lớp ngoài của nguyên tử được giải phóng khỏi nguyên
tử và dịch chuyển trong mạng tinh thể kim loại. Trong quá trình di chuyển, điện tử luôn luôn
có va chạm với các nguyên tử, do đó động năng của điện tử đã truyền một phần cho nguyên
tử. Kết quả là các nguyên tử bị kích thích và một số điện tử lớp trong nhảy ra lớp ngoài (nếu
lớp đó chưa đầy). Điện tử này có xu hướng trở về vị trí trống gần hạt nhân hơn (vị trí ổn định)
và nếu điều đó xảy ra thì điện tử sẽ mất một lượng năng lượng E (thế năng) đồng thời giải
phóng một photon có bước sóng λ = c.h/E (có thể là ánh sáng nhìn thấy hoặc không nhìn
thấy).
Năng lượng bức xạ có thể bao gồm quang năng, nhiệt năng và bức xạ hồng ngoại,...
Ứng dụng hiện tượng này để chế tạo các loại đèn sợi đốt như đèn sợi đốt chân không
(trong dân dụng 50W-75W), đèn sợi đốt halogen (còn gọi là đèn halogen-Vonfram).
2. Hiện tượng phát sáng do phóng điện:
Hiện tượng này do nhà khoa học Anh Edward Townsend phát hiện đầu tiên.
Hiện tượng phóng điện trong chất khí là quá trình diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào áp
suất khí, công suất nguồn điện và dạng điện trường. Tuy nhiên có thể mô tả tóm tắt thông qua
thí nghiệm sau đây: cho ống phóng điện thủy tinh chứa hơi kim loại hoặc một khí trơ nào đó
ở áp suất thấp, bên trong có đặt 2 điện cực và được nối với nguồn 1 chiều thông qua biến trở
điều chỉnh được:
+ Khi điện áp tăng lên thì dòng điện tăng theo (đoạn AB). Nguyên nhân có dòng điện là
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
9
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
do các ion tự do tồn tại trong chất khí.
+ Đến điểm B (điểm xảy ra phóng điện) thì dòng điện tăng rất nhanh còn điện áp giảm
xuống đến điểm M (điểm duy trì phóng điện). Nguyên nhân dòng điện tăng là do hiện tượng
ion hóa chất khí làm cho số điện tử tăng lên nhanh.
+ Đến điểm D (bằng cách giảm R) sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện hồ quang. Nguyên
nhân là do điện cực bị đốt nóng quá mức làm phát xạ điện tử bằng hiệu ứng nhiệt-ion.
Cần lưu ý là nếu áp suất cao sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện tia lửa chứ không phải
phóng điện tỏa sáng vì ở áp suất cao, hiện tượng phóng điện không tự duy trì được.
Khi ứng dụng hiện tượng này vào đèn điện chiếu sáng, người ta chỉ cho đèn làm việc
trong khoảng B-D với điểm làm việc M được xác lập nhờ điện trở R gọi là “chấn lưu”. Điện
áp tại điểm B được gọi là điện áp phóng điện hay điện áp mồi. Khi phóng điện, các nguyên tử
khí bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn, sau đó trở về trạng thái ban đầu thì phát ra
phôton gây nên hiện tượng phát sáng hướng từ cực âm sang cực dương. Ánh sáng phát ra
thường đơn sắc và mang màu đặc trưng của khí trong ống thủy tinh. Ngoài ánh sáng nhìn
thấy, tùy vào chất khí mà còn có các tia hồng ngoại hay tử ngoại. Nếu có phát tia tử ngoại thì
ống phóng điện phải làm bằng thủy tinh có đặc tính cản tia tử ngoại (thủy tinh natri cacbonat),
tránh hủy diệt sinh vật sống, tia hồng ngoại không nguy hiểm vì nó chỉ có tác dụng nhiệt.
u(V)
i
Katot
Anot
R=30kΩ
300
200
E
B
R=300Ω
D
E
Hơi
kim
loại
R
C
u
100
M’
M
A
E
10-5
10-4 10-3 10-2 10-1
1 logi
Hình 1.3_ Thí nghiệm phóng điện trong chất khí
Đối với nguồn điện xoay chiều hình sin thì chiều dòng điện duy trì trong ống thủy tinh
liên tục thay đổi theo tần số nguồn điện. Cả dòng điện và điện áp trong ống phóng điện không
còn là hình sin nữa nên nó được xem là một phần tử phi tuyến. Mặc dù mắt người không cảm
nhận được nhưng ánh sáng do đèn tạo ra là ánh sáng nhấp nháy liên tục.
B
M
M
Hình 1.4_ Phóng điện trong chất khí
B
với nguồn điện hình sin
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
10
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
Năng lượng bức xạ gồm quang năng, nhiệt năng, bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử ngoại có
tỷ lệ thay đổi theo áp suất và loại khí sử dụng.
Ứng dụng hiện tượng này để chế tạo các loại đèn hơi phóng điện Natri áp suất thấp, Natri
áp suất cao, đèn halogen kim loại (hơi thủy ngân cao áp),…
3. Hiện tượng phát sáng huỳnh quang
Hiện tượng huỳnh quang được biết đến vào giữa thế kỉ 19 bởi nhà khoa học người Anh
George G. Stoke. Khi cho ánh sáng tử ngoại (không nhìn thấy) chiếu vào chất phát huỳnh
quang thì một phần năng lượng của nó biến đổi thành nhiệt, phần còn lại biến đổi thành ánh
sáng có bước sóng dài hơn nằm trong dải quang phổ nhìn thấy được. (Đinh luật Stoke)
Giải thích theo thuyết lượng tử như trong hình 1.5: một photon bức xạ tử ngoại (hình bên
trái) va chạm với một electron của một nguyên tử chất huỳnh quang, kích thích và đưa
electron này lên mức năng lượng cao hơn. Sau đó, electron này rơi xuống mức năng lượng
thấp hơn và phát ra ánh sáng dưới dạng một photon (hình bên phải) trong vùng ánh sáng nhìn
thấy được.
Điện tử bị
kích thích
Điện tử ở trạng
thái cơ bản
Tia tử
ngoại
Mức năng
lượng thấp
Mức năng
lượng cao
Hạt nhân
Photon phát xạ
(ánh sáng nhìn thấy)
Hình 1.5_ Giải thích hiện tượng phát sáng huỳnh quang
Ứng dụng hiện tượng này người ta chế tạo ra đèn huỳnh quang gồm bóng thuỷ tinh không
cho tia tử ngoại xuyên qua, trong đó chứa chất thuỷ ngân ở áp suất thấp. Khi phóng điện, các
điện tử phát xạ từ điện cực kích thích nguyên tử thuỷ ngân và tạo ra tia tử ngoại (bước sóng
253,7nm), các tia tử ngoại đập vào thành ống (có quét bột huỳnh quang) làm đèn phát sáng.
Nhìn chung hiệu suất phát sáng của đèn huỳnh quang khá cao. Chất huỳnh quang có rất
nhiều loại nhưng thường dùng chất halophosphat canxi 3Ca(PO4)2.CaF2 để quét vào bên trong
thành ống phóng điện một lớp mỏng.
Năng lượng bức xạ từ hiện tượng phóng điện ngoài tia tử ngoại có thể còn có tia hồng
ngoại, nhưng theo định luật Stokes ta không thể biến đổi tia hồng ngoại về miền ánh sáng
nhìn thấy (bước sóng ngắn hơn).
Các loại đèn huỳnh quang hiện nay gồm T12-T10-T8-T5, compact,… Ý nghĩa của các ký
hiệu này được đề cập ở các chương sau.
4. Hiện tượng phát sáng lân quang
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
11
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
Lân quang là một dạng phát quang, trong đó các phân tử của chất lân quang hấp thụ ánh
sáng, chuyển hóa năng lượng của các photon thành năng lượng của các electron sang trạng
thái lượng tử có mức năng lượng cao nhưng khá bền vững. Sau đó electron chậm chạp rơi về
trạng thái lượng tử ở mức năng lượng thấp hơn và giải phóng một phần năng lượng trở lại
dưới dạng các photon.
Lân quang khác với huỳnh quang ở chỗ việc electron trở về trạng thái cũ kèm theo nhả ra
photon rất chậm chạp. Trong huỳnh quang, sự rơi về trạng thái cũ của electron gần như tức
thời khiến photon được giải phóng ngay. Do vậy các chất lân quang hoạt động như những bộ
lưu trữ ánh sáng: thu nhận ánh sáng và chậm chạp nhả ra ánh sáng sau đó.
Sở dĩ có sự trở về trạng thái cũ chậm chạp của các electron là do một trong số các trạng
thái kích thích khá bền nên việc chuyển hóa từ trạng thái này về trạng thái cơ bản bị cấm bởi
một số quy tắc lượng tử. Việc xảy ra sự trở về trạng thái cơ bản chỉ có thể được thực hiện khi
dao động nhiệt đẩy electron sang trạng thái không bền gần đó, để từ đó nó rơi về trạng thái cơ
bản. Điều này khiến hiện tượng lân quang phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ càng lạnh thì trạng
thái kích thích càng được bảo tồn lâu hơn.
Đa số các chất lân quang có thời gian tồn tại của trạng thái kích thích chỉ vào cỡ miligiây,
có một số chất có thể lên tới vài phút hoặc thậm chí vài giờ. Trong thực tế ta thấy con đom
đóm phát sáng được là nhờ chất lân quang.
Chất dạ quang là chất có chứa các nguyên tử phát sáng lân quang.
Hiện tượng lân quang không được ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng vì hiệu quả thấp và
trạng thái phát sáng không bền. Nó chỉ dùng trong chế tạo các đồ chơi cho trẻ em,…
5. Hiện tượng phát sáng thứ cấp:
Nói cách khác đây không phải là nguồn sáng thực sự như các hiện tượng đã nêu ở trên.
Khi một vật được chiếu sáng thì bản thân nó cũng có thể phản xạ một phần ánh sáng gọi là
phát sáng thứ cấp. Chỉ có vật đen tuyệt đối mới hấp thụ toàn bộ ánh sáng.
Dựa vào hiện tượng này ta có thể giải thích màu sắc của các vật trong tự nhiên: Sự thể
hiện màu của vật là do ánh sáng phản xạ tạo thành (ví dụ vật màu đỏ phản xạ tia màu đỏ, các
màu khác thì nó hấp thụ). Trước đây có rất nhiều lý thuyết màu sắc khác nhau xuất hiện chủ
yếu sử dụng trong ngành dệt nhuộm. Với sự ra đời của thuyết lượng tử, hiện nay người ta đã
xây dựng hoàn chỉnh thuyết màu hiện đại dựa vào bản chất sóng hạt của ánh sáng
Một vật thể bất kỳ tiếp nhận ánh sáng chiếu vào sẽ xẩy ra các hiện tượng : phản xạ, xuyên
qua, hấp thụ. Mỗi hiện tượng này lại có những tính chất riêng, ví dụ phản xạ lại có các loại
phản xạ đều, phản xạ khuyếch tán,…. Các hiện tượng này được nghiên cứu để chế tạo các bộ
phận của đèn (đặc biệt là tấm phản quang) nhằm điều khiển sự phân bố ánh sáng của nguồn
sáng hiệu quả nhất. Vấn đê này sẽ xét trong các phần sau.
1.3. Các đại lượng cơ bản đo ánh sáng
1. Góc khối (còn gọi là góc đặc, góc nhìn)
- Khái niệm:
Xét một đường cong kín bất kỳ (L). Từ một điểm O trong không gian ta vẽ các đường
thẳng tới mọi điểm trên đường cong (L) gọi là các đường sinh. Khi đó phần không gian giới
hạn bởi các đường sinh này được gọi là góc khối nhìn đường cong (L) từ đỉnh O.
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
12
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
Độ đo của góc khối là diện tích phần mặt cầu có bán kính r = 1, tâm tại điểm O bị cắt bởi
góc khối trên.
- Ký hiệu góc khối : Ω (Chữ cái Hy Lạp, đọc là
Ômega).
- Đơn vị : Sr (steradian)
O
r =1
Steradian là góc khối mà dưới góc đó người quan sát
đứng ở tâm O của một quả cầu R=1m thì nhìn thấy diện
tích S=1m2 trên mặt cầu.
- Ý nghĩa: Góc khối là góc trong không gian, đặc
trưng cho góc nhìn (tức là từ một điểm nào đó nhìn vật
thể dưới một góc khối). Trong kỹ thuật chiếu sáng, góc
khối biểu thị cho không gian mà nguồn sáng bức xạ năng
lượng của nó.
Ω
(L)
Hình 1.6_ Định nghĩa góc khối
- Ví dụ tính toán một số góc khối:
+ Cho quả cầu tâm O bán kính R, một hình nón có
đỉnh tại O cắt mặt cầu với một diện tích S thì độ lớn của
S
R2
góc khối là : Ω =
.
+ Cho 2 hình cầu bán kính R và kR đồng tâm O. Giả sử một góc khối Ω chắn hình cầu R
với diện tích S1=2πR2(1-cosα) và hình cầu kR với diện tích S2= 2πk2R2(1-cosα). Khi đó góc
khối là:
k 2 R2
S1
R2
S2
Ω =
= 2π(1− cosα) =
2π(1− cosα) =
2
2
(
kR
)
(
kR
)
O
S1
Ω
S2=k2S
R
O
R
S = Diện
tích trên
mặt cầu
kR
Hình 1.7a
Hình 1.7b
+ Cho mặt cầu tâm O, bán kính R. Góc khối chắn bởi hình nón đỉnh tại O, góc đỉnh 2α,
diện tích mặt cầu bị chắn là S. Ta có góc khối:
S
R2
2πRh 2πR(R − R cosα)
Ω =
=
=
= 2π (1− cosα)
R2
R2
Ta thấy góc khối là đại lượng không phụ thuộc bán kính R.
Trường hợp tại đỉnh O nhìn toàn bộ mặt cầu (α=1800) ta có góc khối lớn nhất Ω = 4π (Sr)
+ Tính góc khối chắn diện tích dS bé tuỳ ý từ điểm O: khi đó ta coi dS là mặt phẳng. Trên
dS ta lấy điểm M là trọng tâm của dS, sau đó vẽ mặt cầu tâm O bán kính R=OM thì góc khối
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
13
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
nhìn diện tích dS từ O là :
dS.cosα
dΩ =
R2
Trong đó α là góc hợp bởi vectơ pháp tuyến của mặt dS và OM, còn dS.cosα là hình
chiếu của dS lên phương OM. Do dS bé tuỳ ý nên dS.cosα được xem là diện tích mà góc khối
chắn mặt cầu.
h
a
a
R
O
α
Ω
dΩ
Hình 1.7c
n
R
α
M
Hình 1.7d
dS’
2. Thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy
Năng lượng điện cung cấp cho nguồn sáng không phải biến đổi hoàn toàn thành ánh sáng
mà biến đổi thành nhiều dạng năng lượng khác nhau như hóa năng, bức xạ nhiệt, bức xạ điện
từ. Các bức xạ ánh sáng chỉ là một phần của bức xạ điện từ do nguồn phát ra. Dưới góc độ kỹ
thuật chiếu sáng ta chỉ quan tâm đến năng lượng bức xạ ánh sáng nhìn thấy mà thôi, do đó
người ta đưa ra khái niệm thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy, đó là phần
năng lượng bức xạ thành ánh sáng của nguồn sáng trong một giây theo mọi hướng được xác
định theo các công thức:
λ 2
W (λ).dλ
Phổ ánh sáng liên tục :
với 380nm ≤ λ1, λ2 ≤ 780nm
∫
λ1
780 nm
W (λ).dλ
Phổ ánh sáng ban ngày (loại phổ liên tục):
∫
380 nm
n
Phổ ánh sáng rời rạc (quang phổ vạch):
P(λ )
∑
i
i=1
Trong đó :
W(λ) là phân bố phổ năng lượng của nguồn sáng (W/nm).
P(λi) là mức năng lượng của tia đơn sắc thứ i phát ra từ nguồn sáng (W).
λi là bước sóng của tia đơn sắc thứ i thoả mãn 380nm ≤ λi ≤ 780nm
Đơn vị đo của thông lượng là (W).
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
14
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
3. Quang thông
- Khái niệm:
Thông lượng năng lượng của ánh sáng nhìn thấy là một khái niệm có ý nghĩa quan trọng
về mặt vật lý. Tuy nhiên trong kỹ thuật chiếu sáng
thì khái niệm này ít được quan tâm.
1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
Thật vậy, giả sử có hai tia sáng đơn sắc màu
đỏ (λ=700nm) và màu vàng (λ=577nm) có cùng
mức năng lượng tác động đến mắt người thì kết
quả nhận được là mắt người cảm nhận tia màu đỏ
tốt hơn màu vàng. Điều này có thể giải thích là do
sự khúc xạ qua mắt (vai trò là thấu kính hội tụ)
khác nhau: các tia sáng có λ bé bị lệch nhiều và
hội tụ trước võng mạc, các tia có λ lớn thì lại hội
tụ sau võng mạc, chỉ có tia λ=555nm (vàng) là hội
tụ ngay trên võng mạc. Trên cơ sở này người ta
xây dựng đường cong hiệu quả ánh sáng V(λ)
của mắt người (hình 1.8). Đường cong 1 ứng với
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
400
450 500
550
600
650 700 nm
Hình 1.8
thị giác ban ngày và đường cong 2 ứng với thị giác ban đêm. Biểu thức gần đúng của đường
cong V(λ) được cho trong phụ lục ở cuối sách, đồng thời trong phụ lục cũng có bảng giá trị
của hàm V(λ).
Như vậy rõ ràng thông lượng năng lượng không thể dùng trong kỹ thuật chiếu sáng phục
vụ con người, do đó người ta phải đưa vào một đại lượng mới trong đó ngoài W(λ) còn phải
kể đến đường cong V(λ), đại lượng này gọi là quang thông và được xác định như sau:
n
Nguồn sáng phát quang phổ vạch (đèn chiếu sáng): Φ = 683. P(λ ).V (λ )
∑
i
i
i=1
Nguồn sáng đơn sắc : Φ = 683.P(λ).V(λ) với λ=const
λ 2
Nguồn sáng có quang phổ liên tục Φ = 683 W (λ).V (λ).dλ
∫
λ1
780nm
Φ = 683
W(λ).V(λ).dλ
Ánh sáng ban ngày
∫
380nm
Trong các công thức trên :
n là tổng số tia sáng đơn sắc do nguồn phát ra
P(λi) là mức năng lượng của tia đơn sắc thứ i (W).
W(λ) là phân bố phổ năng lượng của các tia sáng liên tục (W/nm)
λi là bước sóng của tia đơn sắc thứ i (nm).
683 lm/W là hằng số vật lý xuất phát từ định nghĩa đơn vị cường độ sáng (Cadela),
biểu thị sự chuyển đổi đơn vị năng lượng sang đơn vị cảm nhận thị giác. Giá trị 683 được
đưa vào để tạo ra giá trị tương đương với định nghĩa cũ của cadela.
λ1 và λ2 là giới hạn bước sóng (cận dưới và trên) của quang phổ liên tục.
- Ý nghĩa: Về bản chất, quang thông cũng chính là năng lượng nhưng ở đây đơn vị tính
không phải bằng Oát mà bằng Lumen. Đây là đại lượng rất quan trọng dùng cho tính toán
chiếu sáng, thể hiện phần năng lượng mà nguồn sáng bức xạ thành ánh sáng ra toàn bộ không
gian xung quanh. Để thấy rõ sự khác nhau giữa Oát và Lumen ta có sự so sánh sau:
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
15
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
Giả sử có một nguồn sáng công suất 1W biến đổi toàn bộ công suất này thành ánh sáng
nhìn thấy. Nếu ánh sáng nó phát ra là một tia đơn sắc λ=555nm (màu vàng) sẽ cho quang
thông 683 lm nhưng nếu ánh sáng phát ra là quang phổ liên tục với năng lượng phân bố đều
thì quang thông khoảng 179 lm (xem phụ lục 1).
- Ký hiệu: Φ (ký hiệu chữ cái Hy Lạp, đọc là phi)
- Đơn vị: Lm (Lumen). Lumen là quang thông do nguồn sáng phát ra trong một góc khối
bằng 1 Sr.
- Ví dụ giá trị quang thông một số nguồn sáng thông dụng:
+ Xét một nguồn sáng điểm có cường độ sáng I không đổi theo mọi phương thì quang
4π
thông là : Φ = IdΩ = 4πI
∫
0
+ Thiết bị dùng để đo quang thông gọi là Lumen kế.
+ Quang thông do mặt trời gửi xuống trái đất là 145.1017lm.
4. Quang hiệu
- Định nghĩa: Quang hiệu là tỷ số giữa quang thông do nguồn sáng phát ra và công suất
điện mà nguồn sáng tiêu thụ.
- Ý nghĩa: Trong kỹ thuật chiếu sáng người ta không dùng khái niệm hiệu suất theo nghĩa
thông thường (tính theo tỷ lệ %) mà sử dụng khái niệm quang hiệu. Quang hiệu thể hiện đầy
đủ khả năng biến đổi năng lượng mà nguồn sáng tiêu thụ thành quang năng.
Một số tài liệu gọi khái niệm này là hiệu suất của nguồn sáng. Tuy nhiên, nếu ta sử dụng
khái niệm hiệu suất thì sẽ liên tưởng đến tỉ lệ % (giá trị ≤ 1) giữa các đại lượng cùng đơn vị
đo. Trái ngược hoàn toàn với quan niệm về hiệu suất, quang hiệu lại có giá trị lớn hơn 1 rất
nhiều và là tỉ số của 2 đơn vị đo khác nhau (lm/W) do đó việc dùng khái niệm hiệu suất là
không hợp lý.
- Ký hiệu: η (Chữ cái Hy Lạp, đọc là êta)
- Đơn vị: lm/W (lumen/Oát)
- Ví dụ: Quang hiệu một số nguồn sáng thông dụng (theo tài liệu Schréder năm 2006)
Nguồn sáng
Bóng đèn dây tóc
Công suất (W) Quang thông (Lm) Quang hiệu (Lm/W)
100
36
1500
2600
15
80
Bóng huỳnh quang
Bóng compact
20
1200
60
Bóng cao áp thủy ngân
Bóng cao áp MetalHalide
Bóng cao áp Sodium
250
250
250
13000
20000
27000
52
80
108
5. Cường độ sáng
- Khái niệm:
+ Xét trường hợp một nguồn sáng điểm đặt tại O và ta quan sát theo phương Ox. Gọi dΦ
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
16
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
là quang thông phát ra trong góc khối dΩ lân cận phương Ox. Cường độ sáng của nguồn theo
dΦ
phương Ox được định nghĩa là : I =
dΩ
+ Cường độ sáng I của nguồn phụ thuộc vào
phương quan sát. Trong trường hợp đặc biệt, nếu I
không thay đổi theo phương (nguồn đẳng hướng), ta
có quang thông phát ra trong toàn không gian là:
Φ = 4π I .
x
dΩ
dΦ
I
- Ý nghĩa : Cường độ sáng là đại lượng quang học O
cơ bản, các đại lượng quang học khác đều là đại
lượng dẫn suất xác định qua cường độ sáng.
Hình 1.9
- Ký hiệu : I (Viết tắt của tiếng Anh là Intensity : cường độ)
- Đơn vị :
+ Cd (cadela). Cadela có nghĩa là “ngọn nến”, đây là một trong 7 đơn vị đo lường cơ bản
(m, kg, s, A, K, mol, cd)
+ Định nghĩa Cd (từ tháng 10-1979): “Cadenla là cường độ sáng theo một phương đã cho
của nguồn phát bức xạ đơn sắc có tần số 540.1012Hz (λ=555mm) và cường độ năng lượng
theo phương này là 1/683 W/Sr”
- Ví dụ :
+ Đèn sợi đốt 40W/220V có I= 35 Cd (theo mọi hướng)
+ Ngọn nến có I=0,8 Cd (theo mọi hướng).
+ Theo định nghĩa với nguồn sáng đơn sắc λ=555nm thì 1W=683lm. Nếu nguồn sáng
đơn sắc có λ≠555nm thì 1W=683.V(λ). Ví dụ : nguồn sáng đơn sắc có λ=650nm thì
1W=683.0,2=136,6 lm.
6. Độ rọi
- Khái niệm: Giả thiết mặt S được rọi sáng bởi một nguồn sáng. Độ rọi tại một điểm nào
dΦ
đó trên mặt S là tỉ số E =
, trong đó dΦ là quang thông toàn phần do nguồn gửi đến diện
dS
tích vi phân dS lân cận điểm đã cho.
Nếu mặt S được chiếu sáng đều với tổng quang thông gửi đến S là Φ thì độ rọi tại mọi
Φ
S
điểm trên mặt S là E =
- Ký hiệu : E
O
I
dΦ
n
α
dScosα
dS
M
S
dS
Hình 1.10_Định nghĩa độ rọi
Hình 1.11
- Đơn vị: Lux hay Lx (đọc là luych)
Lux là đơn vị đo độ chiếu sáng của một bề mặt. Độ chiếu sáng duy trì trung bình là các
mức lux trung bình đo được tại các điểm khác nhau của một khu vực xác định. Một lux bằng
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
17
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
một lumen trên mỗi mét vuông.
- Ý nghĩa: Thể hiện lượng quang thông chiếu đến 1 đơn vị diện tích của một bề mặt được
chiếu sáng, nói cách khác nó chính là mật độ phân bố quang thông trên bề mặt chiếu sáng.
- Định luật tỷ lệ nghịch bình phương :
Xét một nguồn sáng điểm O, bức xạ tới mặt nguyên tố hình tròn dS có tâm M cách O một
khoảng r. Cường độ sáng của nguồn theo phương OM là I (hình 1.11). Do dS khá nhỏ nên
→
xem là mặt phẳng, do đó ta gọi n là pháp tuyến của dS và α là góc giữa (→n , OM). Ta có công
thức độ rọi:
dΦ I.dΩ I.dS.cosα
I
E =
=
=
⇒
E = .cosα
r2 .dS
r2
dS
dS
Công thức này cho thấy độ rọi trên bề mặt nào đó phụ thuộc vào khoảng cách r và độ
nghiêng của mặt so với phương quan sát và nó được sử dụng chủ yếu trong các tính toán
chiếu sáng. Đây chính là công thức của định luật tỷ lệ nghịch bình phương.
- Một số giá trị độ rọi thường gặp:
* Trưa nắng không mây 100.000 lux
* Đêm trăng tròn không mây 0,25 lux
* Ban đêm với hệ thống chiếu sáng công cộng 10-30 lux
* Nhà ở bình thường ban đêm: 159-300lux
* Phòng làm việc: 400-600lux.
7. Độ sáng (còn gọi là độ trưng):
dΦ
- Khái niệm: Cho một mặt phát sáng S có kích thước
giới hạn (có thể là bề mặt của nguồn sáng hoặc bề mặt
vật phản xạ ánh sáng,…). Độ sáng tại một điểm nào đó
dS
dΦ
S
trên mặt S là tỉ số R =
, trong đó dΦ là quang thông
dS
do phần tử dS (lân cận điểm đã cho) phát ra theo mọi
hướng.
Hình 1.12_Định nghĩa độ sáng
Mặt phát sáng đều là mặt có độ trưng như nhau ở mọi điểm của mặt
- Đặc điểm và ý nghĩa:
+ Độ trưng đặc trưng cho sự phát sáng theo mọi phương của vật phát sáng (bao gồm
nguồn sáng và ánh sáng phản xạ của vật được chiếu sáng).
+ Xét về công thức tính và thứ nguyên thì độ trưng giống độ rọi nhưng ở độ rọi xét bề
mặt vật được chiếu sáng bởi nguồn sáng khác còn độ trưng xét bề mặt của vật mà bản thân nó
phát sáng. Đơn vị của độ rọi là Lux cũng khác đơn vị độ trưng là Lm/m2.
+ Nguồn sáng ở đây cần hiểu theo nghĩa rộng hơn là "mặt phát sáng" bao gồm nguồn phát
ra ánh sáng và nguồn ánh sáng phản xạ của vật được chiếu sáng.
+ Độ rọi E trên bề mặt được chiếu sáng không phụ thuộc vào hệ số phản xạ bề mặt nhưng
độ trưng của bề mặt được chiếu sáng thì phụ thuộc vào hệ số phản xạ bề mặt.
- Ký hiệu: R
- Đơn vị: Lm/m2 là độ trưng của một nguồn sáng hình cầu có diện tích mặt ngoài 1m2 phát
ra quang thông 1 Lumen phân bố đều theo mọi phương.
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
18
Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng đô thị
8. Độ chói
- Khái niệm:
+ Hai bóng đèn sợi đốt hình tròn công suất 40W
thì có cùng quang thông. Một bóng thủy tinh trong,
một bóng thủy tinh mờ thì bóng thủy tinh trong sẽ gây
chói mắt hơn. Điều này được giải thích là: với bóng
thuỷ tinh mờ, tia sáng bức xạ từ nguồn khi đập vào bề
mặt thuỷ tinh mờ (vỏ bóng đèn), nó bị tán xạ theo
nhiều hướng và cường độ sáng theo một hướng nhất
định giảm đi so với cường độ của tia tới do đó ít chói
hơn Æ độ chói phụ thuộc vào cường độ sáng.
Mặt khác với đèn pha xe máy nếu nhìn trực diện
ta thấy chói mắt nhưng nếu nhìn nghiêng một góc nào
đó thì sẽ bớt chói mắt hơn Æ độ chói phụ thuộc vào
phương quan sát, được đặc trưng bằng diện tích biểu
kiến của mặt phát sáng theo phương quan sát.
O
dScosα
n
dI
α
dS
M
Hình 1.13_Định nghĩa độ chói
Từ những nhận xét trên ta thấy cần thiết phải đưa
ra khái niệm độ chói phụ thuộc vào cường độ sáng của nguồn và diện tích biểu kiến của mặt
phát sáng.
+ Mắt người đặt tại điểm O quan sát bề mặt phát sáng dS theo phương OM. Bề mặt dS
nghiêng một góc α so với phương OM. Gọi dI là cường độ sáng phát ra bởi dS theo phương
dI
OM thì ta có định nghĩa độ chói là L =
.
dS.cosα
- Ý nghĩa:
+ Thể hiện mật độ phân bố cường độ sáng phát ra từ một đơn vị diện tích của bề mặt đó
theo một hướng xác định đến một người quan sát.
+ Độ chói phụ thuộc vào tính chất phản quang của bề mặt và hướng quan sát (không phụ
thuộc vào khoảng cách từ mặt đó đến điểm quan sát).
+ Nhìn chung mọi vật thể được chiếu sáng ít nhiều đều phản xạ ánh sáng (đóng vai trò
như nguồn sáng thứ cấp) nên cũng có thể gây ra chói mắt người. Ví dụ ban đêm ánh sáng hắt
lên từ mặt đường nhựa được chiếu sáng cũng có thể làm chói mắt người lái xe.
+ Độ chói đóng vai trò rất quan trọng khi thiết kế chiếu sáng, là cơ sở khái niệm về tri
giác và tiện nghi nhìn.
+ Độ chói trung bình của mặt đường là tiêu chuẩn đầu tiên để đánh giá chất lượng của
chiếu sáng đường phố.
- Ký hiệu: L
- Đơn vị: Cd/m2. 1 Cd/m2 là độ chói của một mặt phẳng phát sáng đều có diện tích 1 m2
và có cường độ sáng 1 Cd theo phương vuông góc với nguồn đó.
- Ví dụ về độ chói một số bề mặt:
+ Bề mặt đèn huỳnh quang: 5.000-15.000cd/m2
+ Bề mặt đường nhựa chiếu sáng với độ rọi 30lux có độ chói khoảng 2cd/m2
+ Mặt trời mới mọc : khoảng 5.106 Cd/m2
+ Mặt trời giữa trưa : khoảng 1,5 – 2.109 Cd/m2
9. Nhiệt độ màu:
Nhiệt độ màu của một nguồn sáng được thể hiện theo thang Kelvin (K) là biểu hiện màu
sắc của ánh sáng do nó phát ra. Tưởng tượng một thanh sắt khi nguội có màu đen, khi nung
Nguyễn Mạnh Hà - Trường Đại học Kiến trúc Đà Nẵng
19
Tải về để xem bản đầy đủ
131 trang
18480
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật chiếu sáng đô thị", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_chieu_sang_do_thi.pdf
