Bài giảng kĩ thuật chiếu sáng đô thị

bài giảng kĩ thuật chiếu sáng đô thị chương i: Khái niệm cơ bản và các đại lượng đo ánh sáng 1.1. Bản chất của ánh sáng 1.2.một số hiện tượng phát sáng và phạm vi ứng dụng trong chiếu sáng nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC ĐÀ NẴNG

Khoa Kỹ thuật hạ tầng đô thị và Quản lý xây dựng Nguyễn Mạnh Hà

BÀI GIẢNG

KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG ĐÔ THỊ

Đà Nẵng tháng 03-2009

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 : nmhbg@yahoo.com

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

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

2.1 Cấu tạo mắt người 27

1 Hiện tượng thị giác: 27

2 Hiện tượng điều tiết của mắt: 27

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

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

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

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

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

QUẢN LÝ, VẬN HÀNH HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG 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

THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG CÔNG TRÌNH CÔNG CỘNG TRONG ĐÔ THỊ 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

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

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

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

+ 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 100 m đến 10 m Sóng ngắn (SW = Short wave) • Từ 10 m đến 0,5 m Sóng vô tuyến (FM)

+ 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

+ 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

Lăng kính

Ánh sáng mặt trời

Tia sáng đơn sắc đầu ra lăng kính

Phổ ánh sáng

Hình 1.1_ Thí nghiệm quang phổ liên tục

nm

Hình 1.2_Thí nghi

ệm quang ổ vạch

Đèn phóng điện trong chất khí

Lăng kínhKhe hẹp

Vật đen

Hydro

Natri (Sodium)Heli

Neon Thuỷ ngân

+ 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

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

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

Hình 1.4_ Phóng điện trong chất khí với nguồn điện hình sin

MB

Bi

E

R

u

Katot m

i AnotHơi kiloạ

logi10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 Hình 1.3_ Thí nghiệm phóng điện trong chất khí

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 ở trạng thái cơ bản

Photon phát xạ (ánh sáng nhìn thấy) Mức năng

lượng thấp

Mức năng lượng cao Điện tử bị

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

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

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

Ω=S O r =1

Hình 1.6_ Định nghĩa góc khối - Ký hiệu góc khối : Ω (Chữ cái Hy Lạp, đọc là

Ômega)

- Đơn vị : Sr (steradian)

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

- 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 góc khối là : 2

+ 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:

1 2 (1 cos ) 2 (1 cos )

S = Diện tích trên mặt cầuR

kR

S2=k2S S1

Ω O

+ 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:

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

nhìn diện tích dS từ O là : 2

dS.cosd

αΩ =

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

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:

Phổ ánh sáng liên tục : ∫2 với 380nm ≤ λ1, λ2 ≤ 780nm 1

λλ dW

Phổ ánh sáng ban ngày (loại phổ liên tục): ∫nm

).(λ λPhổ ánh sáng rời rạc (quang phổ vạch): ∑

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)

h a

Hình 1.7d

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

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

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:

Nguồn sáng phát quang phổ vạch (đèn chiếu sáng): 683.(.)()

Nguồn sáng đơn sắc : Φ = 683.P(λ).V(λ) với λ=const Nguồn sáng có quang phổ liên tục Φ= ∫2

Ánh sáng ban ngày

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:

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

400 450 500 550 600 650 700 nm

Hình 1.8

12

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 thông là : πId 4πI

=Ω=Φ ∫

+ Thiết bị dùng để đo quang thông gọi là Lumen kế

+ Quang thông do mặt trời gửi xuống trái đất là 145.1017lm

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 Công suất (W) Quang thông (Lm) Quang hiệu (Lm/W)

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 hợp đặc biệt, nếu I không thay đổi theo phương (nguồn đẳng hướng), ta có quang thông phát ra trong toàn không gian là:

4 IπΦ =

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

E= Φ, trong đó dΦ là quang thông toàn phần do nguồn gửi đến diện 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 điểm trên mặt S là E

Φ=- Ký hiệu : E

n O

α I

Hình 1.11 Hình 1.10_Định nghĩa độ rọi

dS

dΦ

S

- 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

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 là pháp tuyến của dS và α là góc giữa ( , OM) Ta có công thức độ rọi:

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):

- 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 trên mặt S là tỉ sốRd

= , trong đó dΦ là quang thông do phần tử dS (lân cận điểm đã cho) phát ra theo mọi hướng

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

Hình 1.12_Định nghĩa độ sáng dS

dΦ

S

dS - 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 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 OM thì ta có định nghĩa độ chói là

+ 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.

đều đến khi nó rực lên ánh sáng da cam, tiếp tục nung nó sẽ có màu vàng, và tiếp tục nung cho đến khi nó trở nên “nóng trắng” Tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình nung, chúng ta có thể đo được nhiệt độ của thanh thép theo độ Kelvin (0C + 273) và gán giá trị đó với màu được tạo ra

Đối với đèn sợi đốt, nhiệt độ màu chính là nhiệt độ bản thân nó Đối với đèn huỳnh quang, đèn phóng điện (nói chung là các loại đèn không dùng sợi đốt) thì nhiệt độ màu chỉ là tượng trưng bằng cách so sánh với nhiệt độ tương ứng của vật đen tuyệt đối bị nung nóng

Khi nói đến nhiệt độ màu của đèn là người ta có ngay cảm giác đó là nguồn sáng “ấm”, “trung tính” hay là “mát” Nói chung, nhiệt độ càng thấp thì nguồn càng ấm, và ngược lại Để dễ hình dung điều này ta xét một số giá trị nhiệt độ màu sau đây:

25000K - 30000K Lúc mặt trời lặn, đèn sợi đốt 45000K - 50000K Ánh sáng ban ngày quang mây

60000K - 10.0000K Ánh sáng khi trời nhiều mây (ánh sáng lạnh)

Khi thiết kế chiếu sáng cần phải chọn nhiệt độ màu của nguồn sáng phù hợp với đặc điểm tâm-sinh lý người, đó là với độ rọi thấp thì chọn nguồn sáng có nhiệt độ màu thấp và ngược lại với yêu cầu độ rọi cao thì chọn các nguồn sáng "lạnh" có nhiệt độ màu cao Đặc điểm sinh lý này đã được Kruithof chứng minh Qua các công trình nghiên cứu của mình, ông đã xây

dựng được biểu đồ Kruithof làm tiêu chuẩn đầu tiên lựa chọn nguồn sáng của bất kỳ đề án

thiết kế chiếu sáng nào (tất nhiên sau đó còn có các tiêu chuẩn khác)

Trong biểu đồ Kruithof, vùng gạch chéo gọi là vùng môi trường ánh sáng tiện nghi Với một độ rọi E (lux) cho trước, người thiết kế chiếu sáng phải chọn nguồn sáng có nhiệt độ màu nằm trong miền gạch chéo để đảm bảo không ảnh hưởng đến tâm-sinh lý của con người, nếu không đảm bảo điều kiện này sẽ gây ra hiện tượng "ô nhiễm ánh sáng", có thể gây tổn hại đến sức khỏe

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 của vật 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 đó Để đánh giá

Hình 1.14_ Biểu đồ Kruithof

Độ rọi (lux) Nhiệt độ

màu (0K) 7000

Môi trường tiện nghi

sự ảnh hưởng ánh sáng (do nguồn phát ra) đến màu sắc của vật, người ta dùng chỉ số độ hoàn màu hay còn gọi là chỉ số thể hiện màu của nguồn sáng, ký hiệu CRI (Color Rendering

Index) Nguyên nhân sự thể hiện màu của vật bị biển đổi là do sự phát xạ phổ ánh sáng khác nhau giữa nguồn sáng và vật được chiếu sáng

Chỉ số CRI của nguồn sáng thay đổi theo thang chia từ 0 đến 100 Giá trị CRI=0 ứng với nguồn ánh sáng đơn sắc khi làm biến đổi màu của vật mạnh nhất, CRI=100 ứng với ánh sáng mặt trời khi màu của vật được thể hiện thực chất nhất Nói chung chỉ số CRI càng cao thì chất lượng nguồn sáng được chọn càng tốt Để dễ áp dụng trong kỹ thuật chiếu sáng, người ta chia CRI thành 4 thang cấp độ sau:

Bảng phạm vi ứng dụng của các nhóm hoàn màu Nhóm

hoàn màu Chỉ số hoàn màu CRI Chất lượng nhìn màu Chất lượng nhìn màu và phạm vi ứng dụng

1A CRI > 90 Cao Công việc cần sự hoàn màu chính xác, ví dụ việc kiểm tra in màu, nhuộm màu, xưởng vẽ

1B 80 < CRI < 90 Cao

Công việc cần đánh giá màu chính xác hoặc cần có sự hoàn màu tốt vì lý do thể hiện, ví dụ chiếu sáng trưng bày

2 60 < CRI < 80 Trung bình Công việc cần sự phân biệt màu tương đối 3 40 < CRI < 60 Thấp Công việc cần phân biệt màu sắc nhưng chỉ

chấp nhận biểu hiện sự sai lệch màu sắc ít 4 20 < CRI < 40 Thấp Công việc không cần phân biệt màu sắc

Đối với chiếu sáng nhà dân thường ít quan tâm đến CRI, những gia đình có mức sống cao mới chú ý đến tiêu chuẩn này và tất nhiên khi đó môi trường sống sẽ tiện nghi hơn kèm theo chi phí đầu tư tăng lên

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 : 1 Sự phản xạ:

- Ứng dụng :

Sự phản xạ đều là trường hợp phản xạ lý tưởng, xảy ra trên các vật liệu rất mịn, nhẵn tuyệt đối Hiện tượng này được dùng trong nghiên cứu chế tạo tấm phản quang (để điều khiển phân bố ánh sáng theo ý muốn) hoặc tính toán độ chói bề mặt các vật liệu mịn, phẳng có phản xạ đều

Phân tán nIn

Khuyếch tán đều Iα = In.cosα

Khuyếch tán hỗn hợp Iα

Ir

Iα = In.cosα và i = r n

r i

Đều i = r

Hình 1.15_ Các hiện tượng phản xạ

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 tán, các tia sáng phân bố phản xạ đi theo nhiều hướng khác nhau Đầu mút các vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cong nào đó Sự phản xạ

khuyếch tán được đặc trưng bằng hệ số phản xạ khuyếch tán ρpxkt= pxkti

Φ < 1, trong đó Φpxkt, Φilần lượt là quang thông khuyếch tán và quang thông rọi tới diện tích bề mặt đang xét Trong thực tế, trên bề mặt các vật liệu luôn xảy ra đồng thời hai hiện tượng phản xạ đều và phản xạ

khuyếch tán do đó người ta định nghĩa hệ số phản xạ hỗn hợp ρpx = ρpxđ + ρpxkt =

Φ + Φ

Φ <1 - Phân loại :

+ Phản xạ khuyếch tán đều: Đầu mút các vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cầu tiếp xúc với mặt phản xạ và có tâm 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 mút các 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, đường bêtông, 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 hình đã 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 Sự

truyền xạ đều được đặc trưng bằng hệ số truyền xạ đều ρtxđ = txd

Φ < 1, trong đó Φtxđ, Φi lần lượt là quang thông truyền xạ đều và quang thông rọi tới diện tích bề mặt đang xét

- Ứng dụng : Nghiên cứu chế tạo kính bảo vệ phẳng cho bộ đèn, chế tạo bóng đèn bằng 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 tán, các tia sáng phân bố truyền đi theo nhiều hướng khác nhau Đầu mút các vectơ cường độ sáng truyền xạ nằm trên một mặt cong nào đó Sự truyền

xạ khuyếch tán được đặc trưng bằng hệ số truyền xạ khuyếch tán ρtxkt = txkt

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

+ Truyền xạ khuyếch tán kiểu phân tán: Đầu mút các vectơ cường độ sáng truyền xạ nằm trên một mặt cong có hình dạng bất kỳ

Phân tán Đều

n

n

r i

i = r

Khuyếch tán hỗn hợp Iα = In.cosα và i = r Khuyếch tán đều

Iα = In.cosα

Hình 1.16_Các hiện tượng truyền xạ

- Ứng dụng : Hiên tượng truyền xạ khuyếch tán được nghiên cứu để chế tạo kính bảo vệ đèn truyền ánh sáng kiểu khuyếch tán (kính mờ, kính có các hạt trắng nhỏ,…) nhằm giảm độ chói cho người quan sát, nghiên cứu chế tạo bóng đèn mờ (đèn tuyp, đèn sơn mờ,…)

3 Sự khúc xạ:

Khúc xạ là hiện tượng thay đổi hướng của các tia sáng liên tiếp qua các tiết diện lăng kính

Trong kỹ thuật chiếu sáng, đa số kính bảo vệ các bộ đèn có dạng phẳng, tuy nhiên kính bảo vệ của một số bộ đèn lại được chế tạo dạng răng cưa (ở mặt trong) nhằm mục đích phân tán ánh sáng để giảm độ chói Thông thường góc ở đỉnh của răng cưa được nghiên cứu rất kỹ để khúc xạ ánh sáng theo mục đích cho trước Nếu góc đỉnh bằng 900 thì ta gọi đó là bộ đèn “hình tổ ong”.

Gọi i1 là góc giữa pháp tuyến mặt trong và tia tới (giả sử tia tới vuông góc với mặt ngoài) i4 là góc giữa pháp tuyến mặt ngoài với tia ra khỏi kính đèn

n là chiết suất vật liệu làm kính α là góc đỉnh

Ta có quan hệ giữa góc tới và góc của tia ra là sin 4 osarcsin cos 22

Như vậy góc đỉnh sẽ cho phép điều chỉnh hướng của tia sáng

4 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, nó còn 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)

5 Sự hấp thụ:

Khi ánh sáng chiếu vào bất kỳ vật liệu nào cũng bị hấp thụ một phần năng lượng Mức độ hấp 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 i1

i4 Kính đèn

Tia tới

Mặt ngoài

Tia ló Hình 1.17_ Hiện tượng khúc xạ

α, đó là tỉ số giữa quang thông mà vật thể hấp thụ Φh và quang thông rọi tới vật liệu Φs

α =ΦΦ

Đối với một loại vật liệu cụ thể thì hệ số hấp thụ cũng không phải là hằng số mà còn phụ thuộc vào bước sóng chiếu vào vật liệu Hệ số hấp thụ của một số vật liệu khi tia tới là ánh sáng trắng được cho trong bảng sau:

Vật liệu Hệ số hấp thụ (%)

Bóng thuỷ tinh vàng nhạt 15-20 Bóng hạt mịn xanh nhạt 15-25

6 Định luật Lambert về sự khuyếch tán đều :

Cường độ phản xạ

Tia tới

truyền xạTia

S: Mặt truyền xạ

Hình 1.18_ Hiện tượng phản xạ và truyền xạ khuyếch tán đều

Định luật Lambert là định luật về sự phản xạ khuyếch tán đều và sự truyền khuyếch tán đều Đây là trường hợp đặc biệt của hiện tượng khuyếch tán nhưng lại thường gặp trong kỹ thuật chiếu sáng (ví dụ bề mặt các bóng đèn sơn mờ, bề mặt đèn tuyp, mặt nền bằng gạch men,…)

Giả thiết ánh sáng tia tới đập vào bề mặt S có xảy ra đồng thời hiện tượng phản xạ khuyếch tán đều và sự truyền khuyếch tán đều (giả sử bỏ qua hiện tượng hấp thụ, phản xạ đều, sự truyền đều dù chúng luôn luôn tồn tại) Hai hiện tượng này đều tuân theo định luật Lambert

a) Trường hợp phản xạ khuyếch tán đều :

Xảy ra khi mặt S làm từ vật liệu mịn như tờ giấy, sơn mờ, vật liệu xây dựng dạng bột,… Giả thiết mặt S có hệ số phản xạ ρ <1 nhận được độ rọi E từ nguồn sáng Các vectơ cường độ sáng phản xạ đều nằm trong một mặt cầu phía trên và tiếp xúc với mặt S Do phản xạ đều nên độ chói L của S không phụ thuộc vào phương quan sát Quan sát theo phương α bất kỳ thì cường độ sáng là I = LS.cosα và khi cho α thay đổi toàn không gian thì đầu mút vectơ I nằm trên mặt cầu đường kính Imax = LS

Mặt S nhận được quang thông ES từ nguồn sáng và nó phản xạ khuyếch tán lượng quang thông ρES chính là nguồn sáng thứ cấp tạo ra độ chói L=const Ta cần lập quan hệ giữa độ rọi ρE với độ chói L của mặt S

LScosα

S: Mặt phản xạ Hình

đới cầu

LS α

dα

Hình 1.19_ Định luật Lambert về phản xạ khuyếch tán đều

Xét nửa bán cầu bất kỳ có bán kính R Xét các góc khối chắn bởi hình nón có góc ở đỉnh lần lượt là 2α và 2(α+dα) (xem hình vẽ) Ta dễ dàng xác định các tham số hình học trên hình vẽ là R.sinα và R.dα Diện tích xung quanh của hình đới cầu là 2π.R.sinα.R.dα (giả thiết dα vô cùng bé thì ta xem gần đúng là hình chữ nhật có độ cao Rdα và chiều dài 2πRsinα) Từ đây ta tính góc khối chắn bởi không gian giữa 2 hình nón (ứng với góc đỉnh dα) là :

b) Trường hợp truyền khuyếch tán đều :

Xảy ra khi mặt S làm từ vật liệu trong mờ như giấy nilon mờ, thủy tinh mờ,… Bằng cách tương tự ta có biểu thức τ.E=Lπ Trong đó τ là hệ số truyền

CHƯƠNG 2

MẮT NGƯỜI VÀ SỰ CẢM THỤ ÁNH SÁNG 2.1 Cấu tạo mắt người

Mắt người là một đối tượng đặc biệt trên cơ thể người Dưới góc nhìn của thơ ca thì nó là "cửa sổ tâm hồn", dưới góc độ của sinh học thì nó là một bộ phận của cơ thể có cấu trúc phức tạp, dưới góc độ vật lý nó là một thấu kính hội tụ, Nói chung, tùy vào mục đích nghiên cứu mà mắt có một vai trò riêng

Trong bài giảng này mắt người được nghiên cứu dưới góc độ của của kỹ thuật chiếu sáng, tức là xét đến sự cảm thụ ánh sáng và thu nhận hình ảnh với vai trò như một thấu kính hội tụ

Hình 2.1_ Cấu tạo mắt người

1 Hiện tượng thị giác:

Mắt người thực ra không nhìn Mắt người đóng vài trò là công cụ thu các ấn tượng quang học thành các tín hiệu có nguồn gốc điện để cho phép bộ não tái tạo lại hình ảnh và gọi là

hiện tượng thị giác Có hai loại hiện tượng thị giác là thị giác ban ngày và thị giác hoàng hôn

Thị giác ban ngày liên quan đến sự kích thích các tế bào hữu sắc (tế bào hình nón) còn thị giác hoàng hôn liên quan đến sự kích thích các tế bào vô sắc (tế bào hình que)

2 Hiện tượng điều tiết của mắt:

Giác mạc và nhất là thủy tinh thể có thể điều tiết để tập trung hình ảnh lên võng mạc cho dù vật được quan sát ở xa hay gần

3 Võng mạc:

Là nơi tập trung hàng triệu tế bào hình que và hình nón rất nhạy với ánh sáng Khi bị ánh sáng kích thích nó gửi những xung điện theo tế bào thần kinh thị giác lên não để giải mã hình

ảnh, giúp chung ta nhìn thấy vật

4 Khái niệm “con mắt quốc tế”:

Việc thu các ấn tượng thị giác của con mắt luôn biến đổi theo quy luật không tuyến tính và biến thiên theo thời gian Điều này liên quan đến tuổi tác, sức khỏe của mỗi người và khuyết tật của mắt Do đó CIE đã định nghĩa “con mắt quốc tế” là con mắt đối với người quan sát quy chiếu trung bình dưới 30 tuổi

2.2 Sự giải mã hình ảnh:

- Khái niệm: Để tụ tiêu ánh sáng đi từ vật muốn nhìn, mắt sẽ co hoặc giãn cơ mắt để thay

đổi tiêu cự và hình dạng của hệ thấu kính : thuỷ tinh thể + giác mạc Hình ảnh qua thấu kính hai mặt lồi sẽ bị đảo chiều và tập trung trên võng mạc Thông qua tế bào thần kinh thị giác,

ánh sáng kích thích trên võng mạc được truyền lên não (trung khu thần kinh thị giác nằm ở sau gáy) và tại đây hình ảnh được chuyển đổi và đảo chiều trở lại để ghi nhận hình ảnh thật

của vật muốn nhìn Hiện tượng này gọi là sự giải mã hình ảnh Sự giải mã hình ảnh thực hiện

được là nhờ võng mạc có các tế bào thần kinh thị giác rất nhạy với ánh sáng là tế bào hình nón và tế bào hình que

- Tế bào hình nón: Có khoảng 7 triệu tế bào, chiếm

vùng giữa võng mạc (vùng hố) và được kích thích bằng các mức chiếu sáng cao (còn gọi là thị giác ban ngày) Chúng giúp não phân biệt và làm nổi lên các chi tiết tinh tế trong hình ảnh, ngoài ra chúng con truyền các tri giác màu Tế bào hình nón gồm ba loại tế bào cảm nhận khác nhau về màu sắc gọi là ba sắc tố quang hình nón Ba loại tế bào này nhạy cảm cực đại với các bước sóng đỏ (R), xanh lục (G), xanh lam (B) Khi một màu bất kỳ nào đó truyền đến võng mạc sẽ kích thích 3 loại tế bào này với mức độ khác nhau, sau đó truyền thông tin về não để tái tạo màu sắc của vật

- Tế bào hình que: Có khoảng 120 triệu tế bào, bao

phủ phần còn lại của võng mạc, có lẫn lộn một ít tế bào hình nón và được kích thích bằng mức chiếu sáng thấp (gọi là thị giác ban đêm) Chúng chịu trách nhiệm về một

hình ảnh tổng thể trên diện rộng nhưng không đi vào chi tiết, ngoài ra chúng còn truyền các tri giác đen trắng nên hữu ích cho việc nhìn vào ban đêm

Tế bào hình que

Tế bào hình nón

Nhân tế bào

Hình 2.2

Sự vận động của hai loại tế bào này không có ranh giới rõ rệt, chúng làm việc nhiều hay ít tùy vào mức chiếu sáng, nhất là trong miền trung gian giữa thị giác ban ngày và thị giác ban đêm

2.3 Quá trình thích nghi :

Là quá trình để thị giác ban đêm hoạt động Vào ban đêm, khi đang ở trong phòng có ánh sáng bước ra ngoài trời tối, tế bào hình que (thị giác ban đêm) không thể đạt ngay mức độ hoạt động tối đa của nó mà cần có thời gian quen dần gọi là quá trình thích nghi Ngược lại nếu ta chuyển từ nơi tối sang nơi sáng thì tế bào hình nón (thị giác ngày) cũng cần có thời gian thích nghi nhưng thời gian này nhanh hơn nhiều so với quá trình thích nghi của thị giác ban đêm Nếu mức độ chuyển thị giác quá đột ngột cũng có thể làm tổn hại đến võng mạc

2.4 Cảm giác chiều sâu của vật cần nhìn:

Con người có hai mắt khác nhau nên não thu được hai hình ảnh hơi khác nhau và tiến hành giải mã khiến cho ta cảm nhận được chiều sâu của vật cần nhìn Nếu ta nhìn bằng một mắt thì cảm giác chiều sâu vẫn còn nhưng giảm hẳn Trung bình hai con mắt cách nhau 6 cm nên với khoảng cách nhìn > 450 m thì ảnh hiện trên võng mạc của hai mắt trùng nhau nên ta không cảm nhận được chiều sâu vật cần nhìn

2.5 Cực cận và cực viễn của mắt :

Khi quan sát vật thì thuỷ tinh thể tự động điều chỉnh độ cong của nó, giống như thay đổi tiêu cự thấu kính hội tụ, do đó ảnh thu được rơi ngay trên võng mạc giúp mắt nhìn rõ vật cho dù nó ở xa hay gần Càng nhìn xa thuỷ tinh thể càng dẹt và trái lại, càng nhìn gần thì thuỷ tinh thể càng tròn

Tuy nhiên cũng cần nhận thấy khả năng điều chỉnh của mắt có giới hạn Cực cận là khoảng cách nhỏ nhất mà ảnh của vật cần nhìn nằm ngay trên võng mạc Nếu nhìn gần hơn điểm cực cận thì ảnh không rõ, mắt phải điều tiết nên gây mỏi mắt và lâu ngày có thể gây ra tật khúc xạ Cực cận của mắt chuẩn cỡ khoảng 20-25cm do đó khi đọc sách nên để xa hơn điểm cực cận để tránh mỏi mắt

Cực viễn của mắt người bằng vô cùng

Hình 2.3_ Trường nhìn

Trường nhìn đứng Trường nhìn ngang

2.6 Trường nhìn của mắt :

Trường nhìn của một người bình thường được CIE thừa nhận như sau : khi nhìn thẳng thì phạm vi nhìn được giới hạn bởi:

- Nhìn ngang : 1800- Nhìn đứng: 1300- Nhìn trung tâm: 20

Khi thiết kế chiếu sáng nên lấy trường nhìn bằng 1/2 giá trị nêu trên để đảm bảo độ nhìn rõ

2.7 Độ tương phản :

- Một tờ giấy trắng đặt trên một mặt bàn màu trắng thì rất khó nhận diện tờ giấy Trái lại nếu đặt tờ giấy này trên mặt bàn màu đen thì nhận diện được một cách rõ ràng Ở đây cùng một tờ giấy màu trắng nên cùng độ chói nhưng được nhận diện một cách khác nhau là do độ nhạy của mắt với sự tương phản khác nhau, do đó người ta đưa ra định nghĩa độ tương phản C như sau:

Trong đó :

L0 là độ chói của vật cần nhìn

Lb là độ chói của nền đặt vật cần nhìn (chữ b viết tắt của background : mặt nền)

C trong Tiếng Anh là Constrast (nghĩa là độ tương phản) Giá trị C ngoài phụ thuộc độ

chói của nền còn phụ thuộc vào kích thước của vật: vật càng lớn thì độ tương phản càng cao Theo thống kê với đa số mọi người thì mắt chỉ có thể phân biệt được vật có độ chói L0 đặt trên nền có độ chói Lb khi C ≥ 0,1 Tuy nhiên thực tế thì màu săc và kích thước vật cũng ảnh hưởng đến khả năng phân biệt của mắt nên khi thiết kế chiếu sáng phải căn cứ vào điều kiện môi trường để tính toán mức độ chiếu sáng vừa đủ

- Ngưỡng tương phản Cth : Là giá trị sao cho khi C≥Cth thì vật được nhìn thấy còn C<Cththì vật không được nhìn thấy

Cth được xây dựng bằng cách cho L0 = const và cho trước kích thước của vật (góc nhìn) ta sẽ xây dựng được một họ đặc tính

= ( ) Ký hiệu th là chữ viết tắt của từ threshold trong Tiếng Anh có nghĩa là ngưỡng hay giới hạn

+ Blackwel đưa ra khái niệm độ nhìn rõ là tỉ số C/Cth

2.8 Hiện tượng chói lóa: 1 Khái niệm:

- Hiện tượng chói lóa là sự suy giảm khả năng nhìn hay làm mất hoàn toàn khả năng nhìn, do đó người ta chia thành hai loại chói lóa:

+ Loá mờ (còn gọi là chói lóa do nhiễu): là sự suy giảm khả năng nhìn, làm mờ vật quan

sát do độ tương phản bé Đây là trường hợp thường xảy ra trong các hệ thống chiếu sáng công cộng, ví dụ :

* Vào ban đêm khi ta đi ngược chiều ôtô đang bật đèn chiếu sáng ta rất khó quan sát người đi phía trước do suy giảm khả năng nhìn

* Đi trong đường phố thiết kế chiếu sáng không đúng quy cách, khi ta nhìn mặt đường thì ánh sáng đèn cũng có thể gây chói lóa

Hiện tượng này ảnh hưởng rất lớn đến người và phương tiện giao thông, có thể dẫn đến mất an toàn

+ Loá mất tiện nghi nhìn : là hiện tượng loá nghiêm trọng đến mức mất hẳn tiện nghi nhìn

do trong trường nhìn xuất hiện nguồn sáng có độ chói quá lớn làm cho mắt bị mất cảm giác nhìn hoàn toàn Ví dụ trong một nhà máy thép mạ kẽm (sau khi mạ có màu trắng), rất nhiều sản phẩm thép mạ kẽm để ngoài trời nắng buổi trưa, khi đó người công nhân không thể nào chọn lựa được một thanh thép xác định trong bãi sản phẩm Nếu người công nhân đó cố nhìn để tìm kiếm trong bãi sản phẩm thép mạ kẽm thì mắt có thể bị đau nhức

- Độ chói nhỏ nhất để mắt nhìn thấy là L=10-3Cd/m2 và độ chói bắt đầu gây lóa mắt là 5000Cd/m2

2 Giải thích hiện tượng chói lóa :

+ Trường hợp lóa mất tiện nghi nhìn:

Tương ứng với Lv rất lớn do đó C2 ≈ 0 nên cảm giác nhìn mất hẳn Tương ứng với Lv rất lớn do đó C2 ≈ 0 nên cảm giác nhìn mất hẳn

+ Có thể giải thích hiện tượng loá mờ bằng hình ảnh như sau (hình 2.4) :

Khi ta nhìn vào vật thì ảnh của nó hiện lên võng mạc Ánh sáng từ nguồn gây chói lóa (ta không nhìn nên nó không đi qua võng mạc và được khuếch tán ra xung quanh, một phần tác động vào võng mạc gây ra chói lóa) Nếu nguồn sáng gây chói lóa sát vật cần nhìn thì ánh sáng gây chói lóa tác động trực tiếp lên võng mạc gây chói lóa mạnh hơn

Khi ta nhìn vào vật thì ảnh của nó hiện lên võng mạc Ánh sáng từ nguồn gây chói lóa (ta không nhìn nên nó không đi qua võng mạc và được khuếch tán ra xung quanh, một phần tác động vào võng mạc gây ra chói lóa) Nếu nguồn sáng gây chói lóa sát vật cần nhìn thì ánh sáng gây chói lóa tác động trực tiếp lên võng mạc gây chói lóa mạnh hơn

3 Các chỉ số kiểm soát chói lóa

a) Loá mất tiện nghi nhìn và chỉ số hạn chế chói loá G (còn gọi là chỉ số tiện nghi)

Để đánh giá mức độ chói lóa làm mất tiện nghi nhìn người ta đưa ra khái niệm “chỉ số hạn

chế chói loá” G (viết tắt của từ Glare Index) xác định theo công thức thực nghiệm sau:

G ISL 0,97.lg (L ) 4, 41.lg(h) 1, 46.lg(P)= + + −Trong đó:

ISL (Index of Specific Luminance) là chỉ số riêng của chóa đèn do nhà chế tạo cung cấp Cũng có thể tính gần đúng theo công thức sau:

ISL=13,84-3,31.lg(I80)+1,3.lg(I80/I88)0,5-0,08.lg(I80/I88)+1,29.lg(F) Giá trị ISL thường nằm trong khoảng 3÷6

F: Diện tích phát sáng của bộ đèn nhìn từ góc quan sát 760 Ltb: Độ chói trung bình của mặt đường

h: Độ cao treo đèn

P: Số đèn có trên 1 km chiều dài đường

I80, I88 : Cường độ sáng (cd/m2) ứng với góc kinh tuyến 800, 880 của bộ đèn Mắt người

Ánh sáng hữu ích (từ vật cần nhìn) Ánh sáng gây

chói lóa

Nguồn sáng gây chói lóa

Vật cần nhìn Ảnh vật

Hình 2.4_ Hiện tượng chói loá do nhiễu

Để có thể hình dung ảnh hưởng của hệ số G đến mắt ta xem xét một số giá trị của G: theo bảng sau:

G = 1 Chói lóa quá mức chịu đựng G = 4 Chói lóa ở mức chịu đựng được G = 9 Không cảm thấy chói lóa

Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN259:2001 quy định: để hạn chế chói lóa, khi thiết kế chiếu sáng đường phải phải chọn bộ đèn có chỉ số hạn chế chói lóa G ≥ 4 Tuy nhiên hệ số này chỉ có ý nghĩa khi độ cao treo đèn >5m và số đèn đủ lớn nên trong tiêu chuẩn cũng quy định chỉ xét đến hệ số chói lóa khi 5m<h<20m và 20<p<100

b) Loá mờ và chỉ số độ tăng ngưỡng tương phản TI

Giả sử mặt nền có độ chói Lb, nếu một vật có độ chói là Lvật=Lb nằm trên nền thì rất khó

nhận biết được nó Điều này liên quan đến độ tương phản mà ta đã nói ở trên Một vật chỉ

quan sát được khi nó có độ tương phản nhất định so với bối cảnh xung quanh, tức là độ chói giữa vật và nền phải thoả mãn (Lvật – Lb) ≥ ΔLngưỡng Giá trị ΔLngưỡng là giá trị bé nhất để nhận biết được vật trên nền và nó là hàm số của Lb như hình 2.5

ΔLS ΔL0

Lb ΔLngưỡng

Vùng không nhận diện được Vùng nhận

diện được vật

Giả sử nền có độ chói là Lb thì ngưỡng tương phản tương ứng là ΔLngưỡng = ΔL0 Khi xuất hiện độ chói Ls trong trường nhìn, mắt sẽ cảm nhận độ chói tổng Lb+Ls và coi như đó là độ chói của nền rọi đến mắt Như vậy mặc dù độ chói của nền không đổi, nhưng độ chói mà mắt cảm nhận tăng lên làm độ tương phản giảm và vật quan sát bị mờ đi Để đảm bảo vật quan sát không bị mờ đi thì giá trị ΔLngưỡng phải tăng từ ΔL0 thànhΔLs

Lb Lb+LS

Để đặc trưng cho mức độ ảnh hưởng của hiện tượng loá mờ người ta đưa ra chỉ số “độ tăng ngưỡng tương phản” TI (viết tắt

của từ Threshold Increment) như sau :

Hình 2.5_ Đường cong mô tả quan hệ ΔLngưỡng = f (Lb)

Δ

CHƯƠNG 3

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 phóng điện,… Các vấn đề này cần phải tìm đọc các tài liệu chuyên sâu hoặc tham khảo tài liệu của các nhà chế tạo

3.1 Bóng đèn nung sáng:

Ánh sáng (10%)Thất thoát nhiệt và đối lưu (20%)Giản đồ năng lượng

Dây tóc

Đầu dây điện

Ống xả

Đui đèn Giá đỡ

Vỏ bóng đèn Khí trơ

Mức năng lượng

Bức xạ hồng ngoại (70%)

400 500 600 700 760

Hình 3.1_Cấu tạo, giản đồ năng lượng và phổ màu của bóng đèn sợi đốt

1 Cấu tạo của bóng đèn nung sáng (hình 3.1):

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

+ 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 bóng đèn để làm chậm quá trình bay hơi nhưng đồng thời cũng làm tăng tổn thất do các chất khí này dẫn nhiệt

+ Khi kim loại bay hơi sẽ ngưng đọng trên bề mặt bóng làm nó bị mờ đi + Về cấu tạo, dây tóc có rất nhiều loại như hình 3.2

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

+ Tạo màu sắc ấm áp, không nhấp nháy

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 bề

mặt bóng

Nếu bóng hút chân không thì nhiệt tỏa ra không khí giảm xuống, do đó hiệu suất nguồn sáng cao hơn Tuy nhiên ở chế độ chân không, khi bị nung nóng lên nhiệt độ rất cao kim loại làm dây tóc sẽ bị bay hơi nhanh, do đó loại bóng này chỉ chế tạo công suất ≤ 75W

Để làm chậm quá trình bay hơi kim loại người ta thường cho thêm khí trơ (nitơ, argon, kripton) vào trong bóng nên công suất có thể tăng trên 75W nhưng đổi lại nhiệt tỏa ra môi trường sẽ lớn hơn Đối với những loại đèn thông dụng, hỗn hợp khí Agon-Nitơ với tỷ lệ 9/1 được sử dụng nhiều do giá thành thấp Kripton hoặc Xenon khá đắt (do công nghệ tinh chế chúng rất phức tạp) nên chỉ được sử dụng trong những ứng dụng đặc biệt như đèn chu kỳ hoặc khi có yêu cầu hiệu suất rất cao

b) Bóng đèn nung sáng dùng khí halogen:

Đèn nung sáng dùng khí 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 ở dạng hơi Các phân tử này di chuyển về phía dây tóc nóng nơi nhiệt độ cao hơn tách chúng ra khỏi nhau Nguyên tử vonfam lại đông lại trên vùng mát 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

Hình 3.3_ Bóng đèn sợi đốt dùng khí halogen

Đặc điểm: Gọn hơn, tuổi thọ dài hơn, sáng trắng hơn, giá cao hơn, nhiều tia hồng ngoại hơn, nhiều tia cực tím hơn

3.2 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 tư cách là một chủng loại đèn riêng 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 chạy qua 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

Hình 3.4_ Cấu tạo bóng đèn huỳnh quang Khí argon và

hơi thuỷ ngân Catot tráng bari cacbonat

Giọt thuỷ ngân ngưng đọng

Lớp bột huỳnh quang

Ống xả khí khi chế tạo

Đầu cực điện

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 ngân hoá hơi trước do có điện áp ở hai đầu cực, tiếp sau là hiện tượng ion hoá chất 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, nếu 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 mà phải 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 nóng thì trước khi phát xạ electron nó phải được nung nóng còn loại catot nguội thì không cần nung nóng nhưng điện áp đặt vào nó phải đủ lớn Catốt là những dây tóc Vonfam có mạ bari cacbonat để dễ dàng phát xạ điện tử Khi nung nóng lớp phát xạ này không được nóng quá, nếu không tuổi thọ của đèn sẽ giảm xuống

Chấn lưu là một cuộn dây điện cảm bằng sắt từ, khi đèn khởi động nó làm nhiệm vụ cung cấp năng lượng và tạo ra điện áp mồi rất lớn nhưng khi đèn làm việc bình thường thì nó có vai trò xác lập điểm làm việc của đèn

Tắc-te thực chất là một công tắc kiểu rơle nhiệt, khi khởi động nó đóng mạch để cho dòng điện chạy qua đốt nóng catot đồng thời tích luỹ năng lượng từ trường cho chấn lưu Khi mồi đèn, nó mở ra làm dòng điện bị gián đoạn và năng lượng trong chấn lưu giải phóng dưới dạng xung điện áp u=Ldi/dt khá lớn làm catot phát xạ electron Về nguyên lý thì tốc độ mở của tăc-te càng bé thì điện áp xung tạo ra càng lớn và càng giúp đèn dễ khởi động

Chấn lưu sắt từ bản thân nó cũng tiêu hao năng lượng làm cho hiệu suất tổng của cả bộ đèn huỳnh quang giảm xuống Ngoài ra tắc-te kiểu rơle nhiệt có đặc tính khởi động không tốt (vì có quán tính nhiệt) nên chất lượng của đèn cũng giảm và nhất là khi điện áp thấp có thể không mồi được đèn Chấn lưu sắt từ còn gây ra tiếng ồn do có độ rung lớn nên không thích hợp cho môi trường văn phòng làm việc Để khắc phục những hạn chế này hiện nay người ta chế tạo ra bộ phận khởi động bằng điện tử (còn gọi là chấn lưu điện tử) Nguyên lý của chấn lưu điện tử là tạo ra xung điện áp có tần số rất cao (khoảng 20 kHz hoặc lớn hơn) nhờ đó mà điện áp mồi được tạo ra rất lớn, thời gian ngắt mạch rất bé nên có thể khởi động ngay cả khi điện áp lưới điện thấp

Cũng cần lưu ý thêm là loại bóng đèn huỳnh quang còn có một số tên gọi khác như đèn tuyp, đèn neon, tuy nhiên tên gọi “đèn neon” là tên gọi sai vì thông thường nó không chứa khí neon

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 12/8 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:

200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 Phổ kích thích

(miền tử ngoại)

Phổ phát xạ ở miền nhìn thấy dùng Halophotphat Canxi.Bari

làm chất huỳnh quang Kích thích

21% ánh sáng nhìn thấy

54,2% nhiệt năng và đối lưu

24,8% bức xạ hồng ngoại

Hình 3.5_ Nguyên lý, giản đồ năng lượng và phổ màu bóng đèn huỳnh quang Bột huỳnh quang

quét bên trong ống

Electron

Điện cực phát xạ electron

Tia cực tím

Ánh sáng nhìn thấy

Nguyên tử thuỷ ngân

Ba loại đèn này khác nhau về đường kính : từ 10/8 inch với đèn T10 đến 5/8 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

Trên thị trường hiện nay xuất hiện loại T10, T8 chủ yếu và giá thành cũng cao hơn so với bóng T12

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 (3/8 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 hình dáng khác nhau, thường là hình tròn hoặc vuông và lại được xoắn thành nhiều tầng Sản phẩm bán trên 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

Hình 3.6_ Các loại bóng đèn huỳnh quang compact

3.3 Bóng đèn phóng điện cường 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 khí khác 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 đường, huỷ hoại tài sản hay hoả hoạn Do đó khi chế tạo bộ đèn này người ta phải bao bọc nó bằng vật liệu chịu được va đập và có không gian đủ lớn để có thể giữ lại toàn bộ các mảnh vỡ văng ra

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 rất phổ biến trong kỹ thuật chiếu sáng)

a) Đèn hơi thủy ngân áp suất cao (HPM: High Pressure Mercury)