đồ án kỹ thuật điện điện tử Chiếu sáng đô thị Chiếu sáng đường Trần Phú

Với sự tiến bộ của kỹ thuật, hiện nay người ta có thểchế 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

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HềA

KHOA: ĐIỆN-ĐIỆN TỬ - -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Giáo viên hướng dẫn: Huỳnh Ngọc QuangSinh viên thực hiện: Nguyễn Xuõn Phỳ Lớp : CĐ-Điện 33B

Nhiệm vụ thiết kế:

Chiếu sáng đô thị : Chiếu sáng đường Trần Phú

Lời Nói Đầu.

Nước ta đang trong giai đoạn phát triển nhanh chóng Do yêu cầu phát triển của đất nước thị điện năng cũng phát triển theo kịp nhu cầu về điện Để có thể đưa điên năng tới các phụ tải cần sây dựng hệ thống cung cấp điện cho các phụ tải này Lĩnh vực cung cấp điện là 1 lĩnh vực đang rất nhiều việt phải làm Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của sản xuất truyền tải điện năng nói chung, và thiết kế cung cấp điện nói riêng Trường Cao Đẳng Cụng Nghiờp Tuy Hòa đang đào tạo một đội ngũ các cử nhân hệ thống điện để đáp ứng cho nhu cầu phỏt triờn của xã hội ngày nay.

Trong nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp em chọn về đề tài Chiếu Sáng Đô Thị Được sư hướng dẫn, giảng dạy nhiệt tình của các thầy

cô ,cô giáo trong bộ môn, và đặc biệt là của thầy Huỳnh Ngọc Quang ,

em đã hoàn thành nhiệm vụ được chọn Mặt dự đó rất cố gắn nhưng kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên đồ án của em còn nhiền sai sót em rất mong được sự chỉ bảo của thầy.

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, Huỳnh Ngọc Quang cựng cỏc thầy cô giỏo khỏc trong bộ môn cung cấp điện.

+ 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 Sóng dài (LW = long wave)

• Từ 1000 m đến 100 m Sóng trung (MW = medium wave)

• Từ 380 nm đến 10 nm Tia cực tím (tia tử ngoại, UV)

+ Theo thuyết lượng tử, ánh sáng còn mang bản chất hạt (photon), có năng lượng

E = hν= hc /T hoặc c = ν.λ λ ; trong đó h là hằng số Plank = 6,626176 ì 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 ẻ 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 ẻ 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 khỏc trờn 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 kíchhoạt võng mạc của mắt người

+ Vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dao động từ 380nm-780nm

+ Ánh sáng mặt trời được coi là nguồn sáng chuẩn để đánh giá chất lượng của nguồn sáng nhân tạo

+ 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, thu nhiệt, sấy khụ,…

+ Hiện nay người ta đang nghiên cứu thiết bị dẫn ánh sáng tự nhiên vào trong cáctoà nhà nhằm giảm tiền điện cũng như có lợi cho sức khoẻ

3 Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch:

+ Ánh sỏng nhõn tạo có quang phổ đứt quãng (quang phổ vạch) 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 độchiếu 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 banngày, 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 nú khỏ dễ chịu Với sự tiến bộ của kỹ thuật, hiện nay người ta có thểchế 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 tuợng 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 sắcbề 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 mớichế 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 cỏcnguyờn 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/T hoặc c = ν.λ 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 hồngngoại, 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 tuợng 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 hoặcmột 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 trởđiều chỉnh được:

+ Khi điện áp tăng lên thì dòng điện tăng theo (đoạn AB) Nguyên nhân có dòng điện là Đề tài chiếu sáng đô thị

+ 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 hồquang 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, cỏc nguyờn tửkhớ bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn, sau đó trở về trạng thái ban đầu thì phát ra phụton 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 cũn cú cỏc 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 vỡ nú chỉ có tác dụng nhiệt 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 nờn nú được xem là một phần tử phi tuyến Mặc dù mắt người không cảmnhận được nhưng ánh sáng do đèn tạo ra là ánh sáng nhấp nháy liên tục 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 ỏp),…

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)

4 Hiện tượng phát sáng lân quang

-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 vềtrạng thái lượng tử ở mức năng lượng thấp hơn

và giải phóng một phần năng lượng trở lại dưới dạng các photon Lân quang khácvới 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 mộttrong 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 cơbản 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 miligiõy, cú 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 lànhờ 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:

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 thểhiện màu của vật là do ánh sáng phản xạ tạo thành (ví dụ vật màu đỏphản xạ tia màu đỏ, các màu khỏc thỡ nú hấp thụ) Trước đây có rất nhiều lý thuyết màu sắc khác nhau xuất hiện chủyếu 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 nhậnánh 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 cú cỏc loại phản xạ đều, phản xạ khuyếch tỏn,….Cỏc 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, gúc nhỡn)

- Khỏi 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 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

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 kỹthuật 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

sáng phục vụ con người, do đó người ta phải đưa vào một đại lượng mới trong đóngoài W(λ) còn phải kể đến đường cong V(λ),

lý

- Ký hiệu: η (Chữ cái Hy Lạp, đọc là ờta)

- Đơn vị: lm/T hoặc c = ν.λ W (lumen/T hoặc c = ν.λ Oỏt)

- Ví dụ: Quang hiệu một số nguồn sáng thông dụng (theo tài liệu Schrộder năm 2006)

Nguồn sáng Công suất (W) Quang thông (Lm) Quang hiệu (Lm/T hoặc c = ν.λ W)

- Khái niệm:

+ Xét trường hợp một nguồn sáng điểm đặt tại O và ta quan sát theo phương là quang thông phát ra trong góc khối dΩ lân cận phương Ox Cường độ sáng của nguồn theo phương Ox được định nghĩa là :

+ Cường độ sáng I của nguồn phụ thuộc vào phương quan sát Trong trường hợpđặc biệt, nếu I không thay đổi theo phương (nguồn đẳng hướng), ta có quang thông phát ra trong toàn không gian là: Φ = 4πR2(1-cosα) và hình cầu kR với diện tích S2= I

- í nghĩa :Cường độ sáng là đại lượng quang học cơ bản, các đại lượng quang học khác đều là đại lượng dẫn suất xác định qua cường độ sáng

- 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/T hoặc c = ν.λ 683 W/T hoặc c = ν.λ Sr”

- Ví dụ :

+ Đèn sợi đốt 40W/T hoặc c = ν.λ 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 đó trên mặt S là tỉ số dS

- í nghĩa: Thể hiện lượng quang thông chiếu đến 1 đơn vị diện tích của một bề mặt được chiếu sáng, nói cách khác nú chớnh là mật độ phân bố quang thụng trờn

bề mặt chiếusỏng

- Một số giá trị độ rọi thường gặp:

* Trưa nắng không mây 100.000 lux

* Đờm 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

+ 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

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) và hình cầu kR với diện tích S2= so với phương OM Gọi dI là cường độ sáng phát ra bởi dS theo phương OM thì ta có định nghĩa độ chói là dS cos α) và hình cầu kR với diện tích S2= dIL

- í 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

sỏt(khụng phụthuộc 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 lượngcủa chiếu sáng đường phố

- Ký hiệu: L

- Đơn vị: Cd/T hoặc c = ν.λ m2 1 Cd/T hoặc c = ν.λ 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/T hoặc c = ν.λ m2

+ Bề mặt đường nhựa chiếu sáng với độ rọi 30lux có độ chói khoảng 2cd/T hoặc c = ν.λ m2+ Mặt trời mới mọc : khoảng 5.106Cd/T hoặc c = ν.λ m2

+ Mặt trời giữa trưa : khoảng 1,5 – 2.109Cd/T hoặc c = ν.λ 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

10 Độ hoàn màu (còn gọi là chỉ số thể hiện màu):

Cùng một vật nhưng nếu được chiếu sáng bằng các nguồn sáng đơn sắc khác nhau thì mắt sẽ cảm nhận màu của vật khác nhau, tuy nhiên bản chất màu sắc củavật thì không hề thay đổi Ví dụ một tờ giấy bình thường màu đỏ, nếu đặt trong bóng tối nó có thể có màu xám, tuy nhiên ta vẫn nói đó là tờ giấy màu đỏ Như vậy chất lượng ánh sáng phát ra của nguồn sáng còn phải được đánh giá qua chất lượng nhìn màu, tức là khả năng phân biệt màu sắc của vật đặt trong ánh sáng đú.Đối với chiếu sáng đường phố chỉ có mục đích đảm bảo an toàn giao thông là chính hơn nữa chi phí đầu tư ban đầu khá lớn nên gần như không quan tâm đến chỉ số CRI Cuối cùng cần lưu ý: chúng ta rất dễ bị nhầm lẫn giữa nhiệt độ màu

và độ hoàn màu, do đó ở đây cần nhắc lại: nhiệt độ màu biểu thị màu sắc của nguồn sáng - là nơi ánh sáng phát ra, còn độ hoàn màu biểu thị độ chính xác màu của nguồn khi chiếu lên vật thể

1.4 Các định luật quang học và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng :

b) Sự phản xạ khuyếch tán

- Hiện tượng này không tuân theo định luật quang hình Đặc điểm là khi có tia sáng chiếu đến bề mặt phản xạ khuyếch tỏn, cỏc tia sáng phân bố phản xạ đi theonhiều hướng khác nhau Đầu mỳt cỏc vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cong nào đó

- Phân loại :

+ Phản xạ khuyếch tán đều: Đầu mỳt cỏc vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cầu tiếp xúc với mặt phản xạ và cú tõm nằm trên đường vuông góc với mặt phản xạ Hiện tượng này tuân theo định luật Lambert và được nghiên cứu ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng (sẽ trình bày ở phần dưới)

+ Phản xạ khuyếch tán kiểu hỗn hợp: các vectơ cường độ sáng phản xạ là hỗn hợp của hiện tượng phản xạ đều và phản xạ khuyếch tán đều

+ Phản xạ khuyếch tán kiểu phân tán: Đầu mỳt cỏc vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cong có hình dạng bất kỳ

- Ứng dụng : Trường hợp phản xạ khuyếch tán là loại phản xạ hay gặp trong thực

tế, được nghiên cứu để tính toán độ chói mặt đường, mặt sàn (đường nhựa, đườngbờtụng, tường xây, bề mặt vật liệu xây dựng, sàn nhà,…)

2 Sự truyền xạ :

a) Sự truyền xạ đều:

- Hiện tượng này tuân theo định luật quang hỡnh đó nghiên cứu trong giáo trình Vật lý đại cương Chỉ lưu ý tia sáng ra khỏi vật liệu dạng tấm đồng nhất thì song song với tia tới In

- Ứng dụng : Nghiên cứu chế tạo kính bảo vệ phẳng cho bộ đèn, chế tạo bóng đènbằng thuỷ tinh trong suốt (bóng đèn sợi đốt, ống phóng điện,…)

b) Sự truyền xạ khuyếch tán:

- Hiện tượng này không tuân theo định luật quang hình Đặc điểm là khi có tia sáng chiếu đến bề mặt truyền xạ khuyếch tỏn, cỏc tia sáng phân bố truyền đi theonhiều hướng khác nhau Đầu mỳt cỏc vectơ cường độ sáng truyền xạ nằm trên một mặt cong nào đó

+ Truyền xạ khuyếch tán đều: Đầu mỳt cỏc vectơ cường độ sáng truyền xạ nằm trên một mặt cầu tiếp xúc với mặt truyền xạ và cú tõm nằm trên đường vuông gócvới mặt truyền xạ Hiện tượng này tuân theo định luật Lambert và sẽ được nghiêncứu ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng (sẽ trình bày ở phần dưới)

+ Truyền xạ khuyếch tán kiểu hỗn hợp: các vectơ cường độ sáng truyền xạ là hỗnhợp của hiện tượng truyền xạ đều và truyền xạ khuyếch tán đều

+ Truyền xạ khuyếch tán kiểu phân tán: Đầu mỳt cỏc vectơ cường độ sáng truyền

xạ nằm trên một mặt cong có hình dạng bất kỳ

- Ứng dụng : Hiên tượng truyền xạ khuyếch tán được nghiên cứu để chế tạo kính bảo vệđốn truyền ánh sáng kiểu khuyếch tán (kính mờ, kớnh cú cỏc hạt trắng nhỏ,…) nhằm giảm độchúi cho người quan sát, nghiên cứu chế tạo bóng đèn mờ (đèn tuyp, đèn sơn mờ,…)

3 Sự che chắn:

Bộ phận che chụp của một bộ đèn chiếu sáng thường chế tạo bằng các vật liệu màu đen hoặc vật liệu mờ nhằm ngăn cản mắt người nhìn trực tiếp gây ra lóa mắt, nú cũn có tác dụng chống hơi ẩm và các vật lạ bên ngoài xâm nhập vào bên trong đèn Phạm vi che chắn được đặc trưng bằng góc giữa đường thẳng đứng đi

qua tâm nguồn sáng và phương mà mắt người bắt đầu nhìn không bị lóa mắt

(hoặc không nhìn thấy nguồn sáng)

4 Sự hấp thụ:

Khi ánh sáng chiếu vào bất kỳ vật liệu nào cũng bị hấp thụ một phần năng lượng

Mức độhấp thụ ít hay nhiều phụ thuộc vào một số yếu tố như: loại vật liệu, bước

sóng của tia sáng (màu) và góc chiếu của tia sáng vào vật liệu Để đặc trưng cho

sự hấp thụ ánh sáng của vật liệu người ta đưa ra khái niệm hệ số hấp thụ

- Ứng dụng: hiện tượng hấp thụ được nghiên cứu để chế tạo các loại vật liệu có

hệ số hấp thụ ít nhất trong đèn chiếu sáng, đặc biệt là các vật liệu che chắn (vỏ đèn), vật liệu truyền xạ(kớnh bảo vệ đốn),…

Phần 2 :

Cơ Sở Lí Thuyết

CÁC LOẠI NGUỒN SÁNG NHÂN TẠO THÔNG DỤNG

Trong phần này ta lần lượt nghiên cứu cấu tạo của các loại nguồn sáng nhân tạo thông dụng - trái tim của bộ đèn chiếu sáng Ở đây ta chỉ nêu sơ bộ cấu tạo, nguyên

lý hoạt động, các đặc điểm chính dưới góc độ ứng dụng mà không đi sâu giải thích phân tích các hiện tượng quang học như: phân tích quá trình già hóa, sự biến đổi quang thông theo điện áp, hiện tượng mờ, hiện tượng đen ở 2 đầu ống phúng điờn,

… Cỏc vấn đề này cần phải tìm đọc các tài liệu chuyờn sõu hoặc tham khảo tài liệucủa các nhà chế tạo

+ Khi bị nung nóng, sợi đốt chủ yếu phát xạ các tia trong vùng hồng ngoại (1000

àm đến 0,78 àm ) khụng nhỡn thấy được Dòng điện chạy qua dây tóc làm nóng nó,

quá trình này làm cho điện trở dây tóc tăng lên và nó lại càng bị đốt nóng cho đến khi nhiệt toả ra cân bằng với nhiệt tản ra không khí Ánh sáng (10%) Bức xạ hồngngoại (70%)Thất thoát nhiệt và đối lưu (20%)

+ Nhiệt độ càng cao thì phổ ánh sáng càng chuyển về vùng nhìn thấy và màu sắc ánh sáng cũng trắng hơn Tuy nhiên nhiệt độ cao sẽ làm bay hơi kim loại làm dây tóc nên người ta thường bơm khí trơ (Nitơ, Argon, Kripton) vào búng đốn để làm chậm quá trình bay hơi nhưng đồng thời cũng làm tăng tổn thất do các chất khí nàydẫn nhiệt

+ Khi kim loại bay hơi sẽ ngưng đọng trên bề mặt bóng làm nó bị mờ đi

+ Về cấu tạo, dây tóc có nhiều loại như

b) Vỏ bóng đèn:

+ Chế tạo bằng thủy tinh có pha chì

+ Áp suất khí trơ bơm vào bóng rất thấp để tránh tản nhiệt ra ngoài môi trường + Để giảm độ chói, mặt trong bóng đèn được phủ lớp bột mờ

c) Đui đèn: Nhiệm vụ đui đèn là nơi tiếp xúc nguồn điện cung cấp cho sợi đốt + Đui gài B15 hoặc B22

+ Đui xoáy E14, E27, E40

+ Tạo màu sắc ấm áp, không nhấp nháy

- Nhược điểm:

+ Hiệu quả phát sáng rất thấp do năng lượng nhiệt tản ra môi trường lớn

+ Quang thông, tuổi thọ của đèn phụ thuộc mạnh vào điện áp nguồn

+ Hiện nay không khuyến khích sử dụng trong dân dụng và công nghiệp nhưng vẫn dùng trong chiếu sáng sự cố, chiếu sán an toàn vỡ nú làm việc được với điện

áp thấp

2 Một số loại bóng đèn nung sáng thông dụng:

a) Bóng đèn nung sáng kiểu chân không hoặc áp suất khí trơ: Bóng đèn nung sáng hoạt động như một “vật đen”, phát ra các bức xạ có lựa chọn ở vùng ánh sáng nhìn thấy Bóng đèn có thể là chân không hoặc nạp khí trơ Sau một thời gian sử dụng, bóng đèn thường bị tối đi là do dây tóc kim loại (vonfam) bị bay hơi ngưng lại trên bềmặt bóng Nếu búng hỳt chân không thì nhiệt tỏa ra không khí giảm xuống, do đó hiệu suất nguồn

b) Bóng đèn nung sỏng dựng khớ halogen:

Đèn nung sỏng dựng khớ halogen là một loại đèn nung sáng có dây tóc bằng vonfam giống như đèn sợi đốt bình thường, tuy nhiên bóng đèn được bơm đầy bằng khí halogen (Iod hoặc Brom) Nguyên tử vonfam bay hơi từ dây tóc nóng và

di chuyển về phía thành của bóng đèn Các nguyên tử vonfam, oxy và halogen kết hợp với nhau tại thành bóng để tạo nên phân tử vonfam oxyhalogen Nhiệt độ ở thành bóng giữ cho các phân tử vonfam oxyhalogen ởdạng hơi Các phân tử này dichuyển về phía dây tóc nóng nơi nhiệt độ cao hơn tỏch chỳng ra khỏi nhau

Nguyên tử vonfam lại đông lại trờn vựng mỏt hơn của dây tóc nên bóng đèn không

bị mờ Nhờ có hơi halogen nên nhiệt độ đốt nóng đèn cho phép cao hơn, do đó ánh sáng phát ra trắng hơn (nhiệt độ màu có thể đạt 29000K), hiệu suất của đèn cũng cao hơn so với đèn bơm khí trơ hoặc chân không Đặc điểm: Gọn hơn, tuổi thọ dài hơn, sáng trắng hơn, giá cao hơn, nhiều tia hồng ngoại hơn, nhiều tia cực tím hơn 2.2 Bóng đèn huỳnh quang

1 Đặc điểm cấu tạo:

Đèn huỳnh quang cũng là một loại đèn phóng điện, tuy nhiên bản chất và nguyên

lý phát sáng hoàn toàn khác với đèn phóng điện nên dưới góc độ chiếu sáng nó được xem xét với tưcỏch là một chủng loại đốn riờng Đèn huỳnh quang có hiệu suất lớn hơn đèn sợi đốt từ 3 đến 5 lần và có tuổi thọ lớn hơn từ 10 đến 20 lần Trước khi phát minh ra bóng đèn huỳnh quang người ta nhận thấy : dòng điện chạyqua chất khí hoặc kim loại bay hơi có thể gây ra bức xạ điện từ tại những bước sóng nhất định tuỳ theo thành phần cấu tạo hoá học và áp suất chất khí Ngoài ra theo định luật Stoke, khi cho ánh sáng tử ngoại 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 ánh sáng nhìn thấy được Ứng dụng hai hiện tượng này người ta chế tạo đèn huỳnh quang Phía bên trong thành thủy tinh của bóng đèn người ta tráng một lớp chất bột huỳnh quang, ngoài ra người ta còn nhỏ vài giọt thuỷ ngân (khoảng 12mg) và bơm khí trơ (thường là khí argon) vào trong ống với tỷ lệ thích hợp sao cho hiện tượng ion hoá dễ xảy ra.Khi bật đèn,thuỷ ngõn hoỏ hơi trước do có điện áp ở hai đầu cực, tiếp sau là hiện tượng ion hoáchất khí để sinh ra tia tử ngoại Tia tử ngoại đập vào bột huỳnh quang và phát ra ánh sáng nhìn thấy Do đèn huỳnh quang phát ra tia tử ngoại, nêu lọt ra ngoài sẽ gây nguy hiểm cho sự sống nên vỏ bóng đèn được chế tạo từ thủy tinh natri

cacbonat có tác dụng ngăn cản tia tử ngoại không cho nó phát xạ ra ngoài Bóng đèn huỳnh quang khi nối với nguồn điện thì bản thân nó không thể tự phát sáng màphải có bộ phận khởi động bao gồm chấn lưu (còn gọi là ballast) và tăc-te (bộ ngắt mạch) Dựa vào biện pháp khởi động người ta chia thành hai loại : đèn huỳnh quang catot nóng và catot nguội Loại catốt núng thỡ trước khi phát xạ electron nó phải được nung nóng còn loại 21% ánh sáng nhìn thấy Giản đồ năng lượng 54,2% nhiệt năng và đối lưu 24,8% bức xạ hồng ngoại

2 Một số bóng đèn huỳnh quang thông dụng

a) Bóng đèn huỳnh quang thường (T12)

Đây là loại bóng đèn huỳnh quang được dùng phổ biến trong dân dụng và công nghiệp và đến nay nó vẫn chiếm số lượng lớn Tuy nhiên trong tương lai người ta

sẽ thay thế bằng các loại đèn tiết kiệm điện hơn Ký hiệu T12 được xác định theo

đường kính ống là 12/T hoặc c = ν.λ 8 inch ≈ 38mm Chiều dài và công suất chế tạo được tiêu chuẩn hóa như sau:

2,4 m - 110W

1,5 m – 65 W

1,2 m – 40 W

0,6 m – 20 W

b) Bóng đèn huỳnh quang tiết kiệm điện T10-T8-T5:

Ba loại đèn này khác nhau về đường kính : từ 10/T hoặc c = ν.λ 8 inch với đèn T10 đến 5/T hoặc c = ν.λ 8 inch với đèn T5 (cũng chính là ký hiệu của đèn) Ngày nay người ta đã chế được bóng T2 nhưng chưa được sử dụng phổ biến lắm Hiệu suất của các loại đèn này cũng khác nhau Đèn T5 & T8 cho hiệu suất cao hơn 5% so với đèn T12 và hai loại này được ưa chuộng lắp đặt nhiều hơn trong các hệ thống chiếu sáng dân dụng và công nghiệp

c) Bóng đèn huỳnh quang compact:

Loại đèn huỳnh quang compact xuất hiện gần đây đã mở ra một thị trường hoàn toàn mới của nguồn sáng huỳnh quang Đây thực chất là đèn huỳnh quang T3 (3/T hoặc c = ν.λ 8 inch) Những chiếc đèn này cho phép thiết kế bộ đèn nhỏ hơn nhiều, có thể cạnh tranh với loại đèn nung nóng và đèn huỳnh quang thường Với một số loại bóng đèn compact tốt có thể chuyển được 90% năng lượng thành ánh sáng và chỉ 10% tổn hao nhiệt và phát tia hồng ngoại Nhiều người cho rằng ánh sáng từ đèn

compact yếu hơn so với huỳnh quang thường, lý do là đèn compact phát xạ ánh sáng có độ phân tán lớn hơn do có nhiều tầng xoắn Về cấu tạo nó có rất nhiều hìnhdáng khác nhau, thường là hình tròn hoặc vuông và lại được xoắn thành nhiều tầng Sản phẩm bỏn trờn thị trường có bộ điều khiển gắn liền (CFG) hoặc điều khiển tách rời (CFN) Tương lai các loại đèn này sẽ được sử dụng rộng rãi và nhà nước cũng có chính sách trợ giá với đèn này Nhờ chấn lưu điện tử nên hiện tượng nhấp nháy không còn

2.3 Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID)

-Loại đèn này làm việc dựa trên hiện tượng phóng điện hồ quang nên được gọi chung là đèn phóng điện cường độ cao (hay đèn HID = Hingh Intentsity

Discharge)

1 Cấu tạo của bóng đèn phóng điện:

a) Ống phóng điện: Ông phóng điện là nơi xảy ra hiện tượng hồ quang điện, được chế tạo bằng chất trong suốt hoặc trong mờ và có dạng hình trụ Người ta bơm vào ống phóng điện hơi thuỷ ngân, muối kim loại, hay các loại khớ khỏc để tạo ra hiện tượng phóng điện hồ quang trong chất khí Phóng điện hồ quang bao giờ cũng toả

ra nhiệt lượng lớn nên ống phóng điện phải được làm bằng vật liệu chịu nhiệt rất cao Ống phóng điện và một số chi tiết khác được đặt trong một vỏ thuỷ tinh gọi là

vỏ bóng đèn Khi đèn đang làm việc, hiện tượng phóng điện hồ quang đang diễn ra nếu có một số sự cố (hỏng chấn lưu, điện áp thay đổi đột ngột,…) đều có thể gây

nổ ống phóng điện và tạo ra các mảnh vỡ nhỏ có nhiệt độ khoảng 10000C phá huỷ

vỏ bóng đèn và gây nguy hiểm cho người đi

- Ổn định nhiệt độ làm việc của đèn (để hồ quang không bị đứt đoạn)

- Ngăn không cho tia tử ngoại lọt ra ngoài làm huỷ hoại sự sống, đặc biệt là đèn hơi thuỷngõn tạo ra khá nhiều tia tử ngoại Vỏ bóng đèn thường có dạng hình ellip,

e) Đặc điểm : Đèn HID có ánh sáng phát ra khá ổn định, không phụ thuộc nhiệt độ môi trường xung quanh nên rất thích hợp cho chiếu sáng đường phố, quảng trường,cụng viờn,…

2 Một số loại bóng đèn phóng điện HID thông dụng:

Khi có phóng điện tỏa sáng, tùy vào loại hơi kim loại trong ống mà ánh sáng phát

ra có màu sắc khác nhau Bức xạ ánh sáng phát ra là đơn sắc mang đặc trưng của kim loại (ví dụ natri có màu vàng, thuỷ ngân màu vàng - xanh dương,…) Trong thực tế người ta chỉ sử dụng hai loại hơi kim loại là hơi thủy ngân và hơi natri (sodium là tên gọi khác của nguyên tố natri, tuy nhiên tên gọi này lại được dùng rấtphổ biến trong kỹ thuật chiếu sáng)

a) Đèn hơi thủy ngân áp suất cao (HPM: High Pressure Mercury) Đèn hơi thủy ngân là kiểu đèn HID được phát minh sớm nhất trong các loại đèn HID Đèn thuỷ ngân phát ra ánh sáng phần lớn nhờ sự kích thích nguyên tử thuỷ ngân Khi ống phóng điện hồ quang đủ núng nú sẽ phát đồng thời hai loại tia là tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy ở các vạch vàng – xanh lá cây – xanh dương và một ít vạch đỏ - cam Nhiệt độ màu khoảng 3000-70000K, chỉ số hoàn màu rất thấp khoảng 15-25 Người ta thường phủ một lớp huỳnh quang bên ngoài vỏ búng đốn, nhờ đó cải thiện được chỉ số hoàn màu lên 40-55 Quang hiệu của đèn cũng rất thấp, chỉ 30-

65 lm/T hoặc c = ν.λ W Có lẽ vấn đề quan trọng nhất liên quan đến đèn hơi thủy ngân là làm sao thay thế chúng bằng những loại đèn HID hoặc huỳnh quang có hiệu suất và độ hoàn màu tốt hơn Những chiếc đèn thuỷ ngân nói chung có hiệu suất thấp nhất trong họ đèn HID, quang thông giảm nhanh sau khi đưa vào sử dụng Ánh sáng do đèn phát ra trắng lạnh, khi sương mù hay mưa thì hiệu quả chiếu sáng giảm khá nhiều, ngoài ra hơi thủy ngân rất độc, ánh sáng phát ra có nhiều tia tử ngoại nguy hiểm nên hiện nay ít được dùng trong các dự án mới, nó chỉ còn ở những nơi đã lắpđặt trước đây Loại đèn Ứng dụng đặc trưng Sợi đốt Gia đình, khách sạn, chiếu sáng chung, chiếu sáng khẩn cấp.Huỳnh quang Văn phòng, cửa hàng, bệnh viện, gia đình Huỳnh quang compact Khách sạn, cửa hàng, gia đình, văn phòng Thủy ngân cao áp HPM Chiếu sáng chung trong nhà máy, ga ra, đỗ xe, chiếu sáng bằng đèn pha Metal halide MH Trưng bày, chiếu sáng bằng đèn pha, khu triển lãm ở sân vận động, công viên, vườn hoa, khu vực xây dựng, sân thểthao, phát truyền hình màu Hơi Natri cao áp HPS Chiếu sáng chung trong nhà máy, kho hàng,