BTL môn kĩ thuật chiếu sáng : Thiết kế hệ thống chiếu sáng cho phòng học

PHỤ LỤC


PHẦN MỞ ĐẦU
Chiếu sáng có vai trò hết sức quan trọng trong việc đảm bảo điều kiện tiện nghi
làm việc và sinh hoạt của con người, nâng cao giá trị thẩm mỹ cho các công trình.
Ngày nay công nghệ chiếu sáng nhân tạo hiện đại cho phép ngoài việc đảm bảo
tiện nghi còn tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.
Theo mục đích sử dụng mà người ta chia thành nhiều loại chiếu sáng, mỗi loại
chiếu sáng sẽ có phương án chiếu sáng và tiêu chuẩn áp dụng riêng. Vì thế việc đề
cập đến tất cả các loại chiếu sáng là một nhiệm vụ bất khả thi trong khuôn khổ giáo
trình phục vụ học tập giảng dạy với thời lượng có hạn.
Kỹ thuật chiếu sáng giúp trang bị cho chúng ta những kiến thức cơ bản, hiện đại
đáp ứng các tiêu chuẩn chiếu sáng hiện hành.
Theo mục đích chiếu sáng, người ta chia thành nhiều loại chiếu sáng, mỗi loại
chiếu sáng sẽ có phương pháp chiếu sáng và tiêu chuẩn áp dụng riêng Xuất phát từ
những yêu cầu thực tế và bằng những kiến thức đã được học qua môn “ Kỹ thuật
chiếu sáng ”, em đã nhận được đề tài “ Thiết kế chiếu sáng cho một phòng học ” để
hoàn thiện kiến thức, hiểu thêm về công việc của một kỹ sư thiết kế.
Em xin trân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Văn Hùng là người trực tiếp giảng
dạy,hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành đề tài thiết kế này.
Bài báo cáo này được chia thành 3 phần:
1) Đại cương về Kỹ thuật chiếu sáng
2) Thiết kế chiếu sáng ( sử dụng phần mềm Dilux)
3) Thiết kế cấp điện cho hệ thống chiếu sáng
Do kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thiết kế em tham khảo và sử dụng 1
số tài liệu như giáo trình “Kỹ thuật chiếu sáng” của trường ĐHCN Hà Nội và một
số tài liệu khác trên internet…

2

CHƯƠNG 1.

ĐẠI CƯƠNG VỀ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG
1.1.

Ánh sáng và mắt người

1.1.1. Ánh sáng
Bản chất của ánh sáng
Ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X, sóng radio, sóng truyền hình,…tất cả đều
là những dạng năng lượng điện từ được truyền trong không gian dưới dạng sóng,
cũng giống như các bức xạ điện từ khác được đặc trưng bởi bước sóng λ, tần số ν,
hoặc chu kỳ T với ν = 1/T hoặc c = ν.λ.
+ Có thể chia bước sóng thành các phạm vi sau, ta nhận thấy ánh sáng nhìn
thấy chỉ là dải hẹp từ 380nm-780nm:
• Từ 3000 m đến 1000 m

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)

• Từ 0,5 m đến 1,0 mm

Sóng rađa

• Từ1000 µm đến 0,78 µm

Sóng hồng ngoại

• Từ 780 nm đến 380 nm

Ánh sáng nhìn thấy

• Từ 380 nm đến 10 nm

Tia cực tím (tia tử ngoại, UV)

• Từ 100 A0 đến 0,01 A0

Tia X

• Từ 0,01 A0 đến 0,001 A0

Tia γ, tia vũ trụ

3


( 1 µm = m; 1 nm = m; 1 A0 = m)

Ứng với mỗi bước sóng ánh sáng trong ánh sáng nhìn thấy có một màu sắc ánh
sáng khác nhau từ màu tím đến màu đỏ. Tập hợp các màu sắc trong dải bước sóng
ánh sáng gọi là phổ ánh sáng.
+ 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, thu nhiệt, sấy khô,…
1.1.2. Mắt người
Mắt người có dạng hình cầu đường kính khoảng 2,4 cm, nặng khoảng 7 gram.

Cấu tạo mắt người
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

4


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).
- 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.

- 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.
- 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.
+ Ở phía sau nhãn cầu, võng mạc được bảo phủ bằng các tế bào thần kinh,
thực chất là các tế bào quang điện liên hệ với bộ não bằng thần kinh thị giác phát
dưới dạng luồng tín hiệu thần kinh ăn nhịp với ánh sáng kích thích vào nó.
+ 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. Chúng chiếm chủ yếu ở vùng
giữa của võng mạc và được kích thích bằng mức chiếu sáng cao,còn gọi là thị giác
ngày (photopic vision), đảm bảo nhận biết màu sắc của ánh sáng.
+ Tế bào hình que nhiều hơn tế bào hình nón (khoảng 130 triệu tế bào) và bao
phủ vùng còn lại của võng mạc, tuy nhiên vẫn có lẫn 1 số tế bào hình nón. Chúng
được kích thích bằng mức chiếu sáng thấp, còn gọi là thị giác đêm (scotopic vision)
và chỉ nhận biết được màu đen trắng. Khhong có ranh giới rõ rệt đối với 2 loại tế

5


bào này. Chúng hoạt động nhiều hay ít phụ thuộc vào mức chiếu sáng, nhất là giữa
vùng trung gian thị giác ngày và thị giác đêm.

- 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.
+ 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.
1.2.

Nguồn sáng

Những vật mà tự nó phát ra ánh sáng thì gọi là nguồn sáng.
Có thể phân loại nguồn sáng như sau :
- Theo hình thức phát sáng, chia ra: nguồn sáng tự nhiên và nguồn sáng nhân
tạo.
+ Nguồn sáng tự nhiên bao gồm: Mặt trời, Mặt trang, các vì sao.
+ Nguồn sáng nhân tạo bao gồm các loại đèn điện được con người tạo ra,
chúng biến đổi điện năng thành ánh sáng.
- Theo kích thước nguồn sáng và khoảng cách chiếu sáng chia ra: nguồn sáng
điểm, nguồn sáng đường và nguồn sáng mặt.
+ Khi khoảng cách từ nguồn đến mặt làm việc lớn hơn nhiều so với kích
thước nguồn sáng. Đèn sợi đốt, đèn compact, và các đèn phóng điện cường độ cao
có thế coi lầ nguồn sáng điểm.
+ Một nguồn sáng được coi là nguồn sáng đường khi chiều dài của nó đáng
kể so với khoảng cách chiếu sáng. Có thể coi đèn huỳnh quang ống, các băng sáng,
bóng đèn được bố trí thành dải sáng là nguồn sáng đường.
- Theo phổ ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng, có thể chia nguồn sáng thành :
nguôn sáng đơn sắc, nguồn sáng phổ liên tục và nuồn sáng phổ vạch.

6


+ Nguồn sáng chỉ phát ra ánh sáng có bước sóng duy nhất hay một màu thuần
khiết gọi là ánh sáng đơn sắc.
+ Nguồn sáng phát ra ánh sáng pha trộn liên tục tất cả các màu sắc ở dải bước
sóng từ 380-780 nm gọi là nguồn sáng phổ liên tục hay nguồn phát ánh sáng trắng.
+ Nguồn phát ra ánh sáng có phổ không liên tục gọi là nguồn sáng phổ vạch
Trong các nguồn sáng thì: Mặt trời và bóng đèn sợi đốt phát ánh sáng có phổ liên
tục còn lại các loại đèn phóng điện phát ra ánh sáng dạng quang phổ vạch.
1.3.

Các đại lượng đo lường ánh sáng

1.3.1. Quang thông của nguồn sáng
Là tổng lượng ánh sáng do một nguồn sáng phát ra, để đánh giá khả năng phát
sáng của một nguồn sáng mạnh hay yếu trong không gian xung quanh nó.
F =k.Wλ Vλ.dλ

Lumen(lm)

Trong đó: Wλ - năng lượng bức xạ của ánh sáng ứng với bước sóng λ, oát (W);
Vλ - độ nhạy tương đối của mắt đối với ánh sáng có bước sóng λ;
K=683 lm/Ư- hệ số chuyển đổi đơn vị điện (W) sang đơn vị quang
(lm);
1.3.2. Cường độ ánh sáng
- Khái niệm Góc khối: là góc không gian

đo

bằng tỷ số giữa diện tích S trên mặt cầu với

bình

phương bán kính mặt cầu đó:
Ω=

Sr (steradian)

Góc khối
- 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.

7


Lượng quang thông của nguồn sáng theo một hướng nào đó trong không gian gọi
là cường độ ánh sáng. Đơn vị : Candela
Xét trường hợp một nguồn sáng điểm đặt tại O và ta quan sát theo phương Ox.
Gọi dF là quang thông phát ra trong góc khối lân cận phương Ox. Cường độ sáng
của nguồn theo hướng Ox sẽ là:
Trong công thức trên, góc khối là góc không gian mà qua nó ta nhìn diện tích
trên mặt cầu từ tâm O của cầu.
1.3.3. Độ rọi
Độ rọi là đại lượng đặc trưng cho mức độ chiếu sáng cao hay thấp của bề mặt.
- Độ rọi trung bình: Nếu mặt S được chiếu sáng đều với tổng quang thông gửi
đến S là F thì độ rọi tại mọi điểm trên mặt S là E = Lx( lux)
F là quang thông (lm) nhận được trên một bề mặt chiếu sáng S (m2):

Định nghĩa độ rọi
Bảng độ rọi chiếu sáng tự nhiên và chiếu sáng nhân tạo
Ngoài trời, buổi trưa 100.000 lx
Phòng làm việc
Trời có mây
2000 - 10.000 Lx Nhà ở
Trăng tròn
0.25 Lx
Phố ñược chiếu sáng
1.3.4. Độ chói

8

E=

400 - 600 lx
150 - 300 Lx
20 - 50 Lx


- Khái niệm: Khi ta nhìn vào một nguồn sáng hoặc bề mặt sáng ta có cảm giác bị
chói mắt. Cảm giác này được đánh giá bằng độ chói L.

Trong đó :
dI – cường độ ánh sáng theo hướng quan sát;
α – góc giữa pháp tuyến n của mặt phẳng d(S) và hướng nhìn
d(S).cosα – diện tích phát sáng biểu kiến khi nhìn mặt phát sáng
d(S).
- Ý nghĩa:
+ Thể hiện mật độ phân bố cường độ sáng phát ra từ một đơn vị diện tích của

bề mặt đó theo một hướng xác định đến một người quan sát.
+ Độ chói phụ thuộc vào tính chất phản quang của bề mặt và hướng quan sát
(không phụ thuộc vào khoảng cách từ mặt đó đến điểm quan sát).
+ Nhìn chung mọi vật thể được chiếu sáng ít nhiều đều phản xạ ánh sáng
(đóng vai trò như nguồn sáng thứ cấp) nên cũng có thể gây ra chói mắt người. Ví dụ
ban đêm ánh sáng hắt lên từ mặt đường nhựa được chiếu sáng cũng có thể làm chói
mắt người lái xe.
1.4.

Đèn

- Khái niệm: Đèn điện là nguồn sáng biến đổi điện năng thành quang năng. Nếu
phân loại đèn theo hình dáng, kích thước thì có khoảng trên 6000 loại bóng đèn
9


khác nhau. Tuy nhiên, nếu phân loại theo nguyên lý hoạt động, có thể chia các loại
đèn thành ba nhóm chính là: đèn sợi đốt, đèn phóng điện trong chất khí và đèn led.

10


Sơ lược lịch sử phát triển và phạm vi ứng dụng các loại đèn điện
Năm
ra đời
1879
1920

1934

1937
1958
1960

1966

1992
Gần
đây

Loại đèn

Phạm vi ứng dụng

Sợi đốt thường Dùng ở những nơi đòi hỏi độ rọi thấp, phân biệt màu
tốt. Chủ yếu dùng để chiếu sáng cục bộ trong nhà.
Hơi natri
Chiếu sáng đường giao thông
(Sodium) thấp
áp
Thủy ngân cao Chiếu sáng chung trong nhà với chiều cao lớn( nhà
áp
xưởng, nhà thi đấu ), chiếu sáng ngoài trời( đường,
công trình kiến trúc).
Huỳnh quang Chiếu sáng trong nhà( văn phòng, công sở, nhà ở).
ống
Sợi đốt
Như đèn sợi đốt thường
halogen
Halogen kim Chiếu sáng thay thế đèn thủy ngân cao áp để tiết kiệm

loại (Metal
điện năng.
halide)
Hơi natri
Chiếu sáng thay thế đèn thủy ngân cao áp để tiết kiệm
(Sodium) cao điện năng.
áp
Huỳnh quang Chiếu sáng cục bộ và chiếu sáng chung trong nhà
compact
LED (Light
Chiếu sáng trang trí, quảng cáo, tín hiệu.
Emitting
Diode)

1.4.1. Các thông số kỹ thuật của đèn điện:
1.4.1.1Hiệu suất phát quang H (lm/W)
+ Hiệu suất phát quang của một nguồn sáng là tỷ số giữa quang thông F với
công suất tiêu thụ P của nguồn sáng đó:
, lm/W
+ Hiệu suất phát quang dùng để đánh giá quá trình biến đổi điện năng thành
quang năng của một nguồn sáng. Hiệu suất phát quang của nguồn sáng càng cao thì
đèn càng tiết kiệm năng lượng.
1.4.1.2Tuổi thọ đèn:
11


+ Đối với đèn sợi đốt và đèn LED, do đặc điểm có thể cháy bất cứ lúc nào
nên tuổi thọ loại đèn này được quy định là thời gian tính bằng giờ kể từ lúc đưa
bóng đèn vào sử dụng đến khi một tỷ lệ nhất định số bóng đèn bị cháy( 40 – 50%).
+ Đối với đèn phóng điện, đặc điểm nổi bật là sự suy giảm quang thông trong

quá trình sử dụng. Vì thế tuổi thọ của bóng đèn phóng điện được quy định là
khoảng thời gian tính bằng giờ từ khi đưa bóng đèn vào sử dụng cho đến khi quang
thông của đèn suy giảm đến một tỷ lệ nhất định (20 – 30%).
+ Tuổi thọ đèn phụ thuộc nhiều yếu tố:
- Dao động trị số và dạng sóng điện áp nguồn
- Vị trí làm việc. Một số đèn ( thường là đèn HID) được thiết kế làm việc theo vị
trí quy định. Ví dụ đèn Metal halide nếu ở vị trí nằm ngang thì quang thông của đèn
Metal halide giảm 10% còn tuổi thọ giảm 25% so với vị trí đặt đứng.
+ Chu kỳ bật tắt. Càng bật tắt nhiều tuổi thọ đèn càng suy giảm, đặc biệt đối
với đèn phóng điện.
+ Môi trường làm việc.
1.4.1.3Chỉ số hoàn màu CRI
+ Chỉ số hoàn màu (color rendering index) ký hiệu là CRI Hay RA là chỉ số
phản ánh độ trung thực của màu sắc vật được chiếu sáng. giá trị CRI càng cao chất
lượng càng tốt.
+ CRI = 100: Ánh sáng bán ngày là ánh sáng có độ trung thực nhất
+ CRI = 0: Ánh sáng đơn sắc như: xanh, đỏ, tím, vàng...là ánh sáng có độ
trung thực thấp nhất
+ CRI <50: Màu sắc của vật bị biến đổi hoàn toàn (khi chiếu sáng vật thể sẽ bị
nhợt nhạt, không giống thực tế)
+ CRI từ 50-70: ánh sáng hơi bị biến đổi, có thể dùng trong các ngành sản
xuất công nghiệp không cần màu chính xác
+ CRI từ 70-85:Ánh sáng thông dụng, gần như trung thực.
+ CRI từ 85-95: sử dụng cho các khu vực cần phần biệt màu sắc chuẩn như
xưởng in màu, xưởng pha chế sơn..
12


Chỉ số hoàn màu của 1 đèn LED lại tỉ lệ nghịch với hiệu suất chiếu sáng hay độ
sáng (Lm/W). Nghĩa là nếu chỉ số CRI càng lớn thì chỉ số Lm/W càng giảm và

ngược lại. Vì vậy để cân đối giữa chất lượng ánh sáng (chỉ số CRI) và hiệu suất
chiếu sáng để có chỉ số tối ưu nhất. Một đèn led có thông số: CRI từ 75-85 còn độ
sáng 90-100Lm/W là tối ưu nhất cho chiếu sáng thông dụng, ngoại trừ các ngành
cần độ chính xác cao mới cần chọn CRI>85.

13


Bảng phạm vi ứng dụng của các nhóm hoàn màu
Nhóm
hoàn
màu

Chỉ số CRI

Chất lượng
nhìn màu

Phạm vi ứng dụng

Công việc cần sự hoàn màu chính
1A
CRI > 90
Rất cao
xác, ví dụ việc kiểm tra in màu,
nhuộm màu, xưởng vẽ
Công việc cần đánh giá màu chính
Cao
xác hoặc cần có sự hoàn màu tốt vì lý
1B

80 < CRI < 90
do thể hiện, ví dụ chiếu sáng trưng
bày
Công việc cần sự phân biệt màu
2
60 < CRI < 80 Trung bình
tương đối
Công việc cần phân biệt màu sắc
Thấp chấp
3
40 < CRI < 60
nhưng chỉ chấp nhận biểu hiện sự sai
nhận được
lệch màu sắc ít
Công việc không cần phân biệt màu
4
20 < CRI < 40
Rất thấp
sắc, ví dụ chiếu sáng giao thông
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.
1.4.1.4Nhiệt độ màu

+ Nhiệt độ màu của một nguồn sáng được thể hiện theo thang Kelvin (K) là
biểu hiện màu sắc của ánh sáng do nó phát ra. Tưởng tượng một thanh sắt khi nguội
có màu đen, khi nung 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

14


điểm nào trong quá trình nung, chúng ta có thể đo được nhiệt độ của thanh thép theo
độ Kelvin ( + 273) và gán giá trị đó với màu được tạo ra.

Biểu đồ Kruithof.
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:
25000 - 30000

Lúc mặt trời lặn, đèn sợi đốt

45000 - 50000

Ánh sáng ban ngày quang mây

60000 - 10.0000

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
15


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.
- Định luật Lambert
+ Nhà khoa học người Đức, Johann Heinrich Lambert đã thiết lập mối quan
hệ giữa độ rọi và độ chói trên bề mặt vật liệu mịn có màu như: giấy,bàn, tường,
trần,.. có hệ số phản xạ ρ :
ρE=.L
Đối với các vật liệu truyền sáng tốt (như thủy tinh màu trắng,sữa,kính) giữa độ
rọi E và độ chói L có mối quan hệ: tE=.L
Định luật Lambert được sử dụng trong tính toán kiểm tra thiết kế chiếu sáng.
1.5.

Một số loại bóng đèn

1.5.1. Bóng đèn sợi đốt

Cấu tạo và giản đồ năng lượng bóng đèn sợi đốt
- Dây tóc thường được chế tạo bằng vonfram
- Bầu đèn được làm thủy tinh chịu nhiệt, bầu đèn được hút chân không hoặc bổ
sung khí trơ, ngoài ra có thể bổ sung halogen.
- Đui đèn có nhiệm vụ kết nối nguồn điện cấp điện cho sợi đốt
Khi đặt điện áp vào hai đầu dây tóc, sẽ có dòng điện chạy qua dây tóc làm cho nó
bị đốt nóng phát ra các bức xạ phần lớn trong miền hồng ngoại. Khi nhiệt độ tăng
16


đến 900 thì phổ bức xạ bắt đầu dịch chuyển sang miền ánh sáng nhìn thấy. Sau đó
đèn làm việc ổn định tại nhiệt độ 2500-2700
Điện năng cấp cho đèn sợi đốt chuyển hóa thành ánh sáng chỉ khoảng 10% còn
lại thành nhiệt năng và bức xạ hồng ngoại.
- Ưu điểm:
+ Cấu tạo đơn giản. Nối trực tiếp vào lưới điện mà không cần thiết bị phụ
nào.
+ Kích thước nhỏ
+ Sử dụng đơn giản, bật sáng ngay
+ Chỉ số hoàn màu tốt, xấp xỉ bằng 100
+ Giá thành rẻ
+ 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 vì nó làm việc được với
điện áp thấp.
1.5.2. Bóng đèn huỳnh quang
- 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
17


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.

Cấu tạo đèn huỳnh quang
Khi đặt điện áp đủ lớn lên hai cực ở hai đầu ống, dưới tác dụng của điện trường
sợi đốt dẫn điện, phát nóng và phát xạ điện tử còn thủy ngân hóa hơi, tiếp sau là
hiện tượng ion hóa chất khí. Các điện tử phát ra từ điện cực sẽ kích thích các
nguyên tử thủy ngân tạo ra các tia bức xạ sơ cấp chủ yếu ở bước sóng 253,7nm. Tia
cực tím này đập vào lớp bột huỳnh quang ở bề mặt thành ống tạo thành ánh sáng
nhìn thấy.
- Ưu điểm:
+ Có tuổi thọ 8000 – 12000 h và hiệu suất phát quang cao 60-85 lm/W
+ Chỉ số hoàn màu tốt, CRI có thể đạt 90
+ Đa dạng về hình dáng, kích thước, gam màu ánh sáng
+ Phát sinh nhiệt lượng không lớn, tạo cảm giác mát dịu và thư giãn
- Nhược điểm:
+ Đòi hỏi thiết bị đi kèm

+ Giá thành tương đối cao
+ Đèn huỳnh quang ống có kích thước lớn nên khó kiểm soát và phân bố ánh
sáng
+ Nhạy cảm với môi trường, khó khởi động ở nhiệt độ thấp
+ Bật không sáng ngay (0,5 – 2 s)
+ Tuổi thọ đèn phụ thuộc vào số lần bật tắt và sự ổn định điện áp
18


+ Khó điều chỉnh quang thông
1.5.3. Đèn phóng điện cường độ cao
Đèn phóng điện cường độ cao( HID) gồm: thủy ngân cao áp, metal halide và
sodium( hay hơi natri). Nhìm chung các loại đèn này đều là đèn phóng điện trong
môi trường áp suất cao (trừ đèn sodium thấp áp).
- Cấu tạo cơ bản của đèn HID: gồm ống phóng điện hồ quang nhỏ hình trụ được
chế tạo bằng chất trong suốt hoặc mờ có khẳ năng chịu nhiệt cao( thạch anh hoặc
gốm sứ). Trong ống , người ta bơm hơi thủy ngân, muối kim loại hay các loại khí
khác để tạo hiện tượng phóng điện hồ quang trong chất khí. Ống phóng điện và một
số chi tiết khác được đặt trong một vỏ thủy tinh chịu nhiệt( có thể được tráng thêm
một lớp bột huỳnh quang) gọi là vỏ bóng đèn.
- Nguyên lý tạo ra ánh sáng của đèn gồm ba bước:
 Phóng điện hồ quang:
Đặt điện áp đủ lớn lên hai điện cực trong ống. Giữa hai điện cực xảy ra quá
trình phóng điện. Điện cực sẽ rất nóng, nên điện cực phải làm bằng vật liệu chịu
nhiệt tốt, môi trường trong ống phóng điện sẽ trở thành môi trường khí chứa các
phân tử ion.
 Bức xạ nhiệt
Do hiện tượng phóng điện hồ quang, các hạt điện tử sẽ va vào các nguyên tử
ion trong ống phóng điện làm thay đổi động năng của các nguyên tử, phân tử này
gây đến tăng tốc các điện tích và gây dao động lưỡng cực từ đó sản sinh ra bức xạ

nhiệt. Độ rộng phổ của bức xạ tương ứng độ rộng phổ của năng lượng và ở một
nhiệt độ nhất định.
 Bức xạ huỳnh quang
Các phân tử khí ion trong ống điện hấp thụ năng lượng chuyển lên mức năng
lượng cao hơn (trạng thái kích thích), đây là một mức năng lượng không bền, do đó
sẽ nó sẽ bức xạ năng lượng dưới dạng photon để về mức thấp hơn. Các photon này
va vào thành ống phóng điện phát ra dải ánh sáng.
Bóng đèn phóng điện hồ quang trong chất khí sản sinh nhiệt độ cao, các muối
metal halide( hay natri) thăng hoa thành hơi phát ra ánh sáng nhìn thấy.
19


Khi có điện và phát 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( natri có màu vàng, thủy 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 ( sodiun là tên gọi
khác của natri).
- Đặc điểm:
+ Sử dụng ống hồ quang bên trong và vỏ bên ngoài
+ Cần dùng ballast để khởi động
+ Đòi hỏi thời gian tiền ổn định
+ Đòi hỏi thời gian làm nguội trước khi khởi động lại
+ Có thể xảy ra hiệu ứng sáng rồi tắt ở cuối tuổi thọ
- Ưu, nhược điểm của đèn HID:
+ Ưu điếm:
- Hiệu suất phát quang, tuổi thọ và độ bền cơ học cao
- Đa dạng về hình dáng, kích thước và gam màu sáng
- Một số đèn có CRI tương đối cao như Metal-Halide (CRI = 60-90) và
sodium cao áp (có thể đạt CRI = 70)
+ Nhược điểm:

- Đòi hỏi thiết bị đi kèm, chi phí đầu tư ban đầu lớn;
- Tạo ra hiệu ứng nhấp nháy gây mỏi mắt tương tự đèn phóng điện huỳnh
quang
- Thời gian khởi động lâu do phải đốt nóng điện cực; sau khi tắt cũng cần
thời gian để khởi động lại (thời gian cần thiết để áp suất trở lại bình thường). Thời
gian khởi động và thời gian khởi động lại trung bình của đèn HID.
- Quang thông giảm nhiều nếu điện áp đặt vào điện cực giảm
- Khi đèn đang làm việc nếu có sự cố có thể gây nổ phóng điện gây nguy
hiểm cho người sử dụng
- Điều kiện thay thế bảo dưỡng khó khăn
20


- Không sử dụng trong trường hợp đèn bật tắt liên tục, khi cần truyền đạt
màu sắc trung thực
- Ứng dụng:
+ Chủ yếu sử dụng cho chiếu sáng bên ngoài
+ Cần tạo mức sáng cao
+ Cần ánh sáng gần với ánh sáng ban ngày
+ Thiết bị chiếu sáng làm việc trong điều kiện môi trường thấp
Loại đèn
Thủy ngân cao áp
Metal halide
Sodium cao áp
Sodium thấp áp

Thời gian khởi động( phút)
5-7
3-4
10-12

14-16
Thời gian khởi động của đèn HID

Thời gian
lại(phút)
3-6
10-20
1/2-1
3-12 giây

khởi

 Quang thông giảm nhiều nếu điện áp đặt vào bộ đèn giảm. Theo kết quá thống kê,
nếu điện áp lưới đặt vảo bộ đèn giảm 8% thỉ quang thông cùa dàn thủy ngân cao áp
giảm 18%, đèn Metal-Halide và đèn sodium cao áp cùng giảm 22%, còn đèn
sodium thấp áp giảm 2%.


Khi đèn đang làm việc, hiện tượng phóng điện hồ quang đang diên ra nếu có một sổ
sự cố (hóng chấn lưu. điện áp thay đôi đột ngột....) đêu cổ thê gày nổ ống phóng
điện và tạo ra các mảnh vỡ nhỏ với nhiệt độ có thể đạt ẫdhoàng 1000 °c phả huỷ vò
bóng đèn và gây nguy hiểm cho người, huỷ hoại tài sản và gây hoà 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 thề giữ lại toàn bộ các mảnh vỡ văng ra.
- Một số loại đèn HID thông dụng:
+ Thủy ngân cao áp: 46 – 55 lm/W, T = 3000 – 4300°K, CRI = 15 – 55.
+ Metal halide: 700 – 100lm/W, được chế tạo với dải công suất từ 32 –
2000W, nhiệt dộ màu 2700 - 4500°K, CRI = 65 – 80.
+ Sodium cao áp: 120 lm/W, nhiệt độ màu 2000 – 2500°K, CRI = 20 – 65,
tuổi thọ 12000 – 32000 giờ.

+ Sodium thấp áp: 100-200 lm/W, CR1 = 10-15, tuổi thọ 8000 – 16000 giờ
21

động


a) Đèn thủy ngân cao áp HPM
- Đặc trưng cơ bản của loại bóng này:
+ P = 50 – 1000 W
+ T = 3800 – 4300K; CRI = 33 – 50
+ Hiệu suất = 32 – 60 lm/W
+ Tuổi thọ trung bình khoảng 16000 đến 24000 giờ
- Nguyên lý làm việc: đèn thủy ngân cao áp là thế hệ đèn HID đầu tiên, phóng
điện trong chất khí phát ra ánh sáng phần lớn nhờ sự kích thích nguyên từ thuỷ ngân
trong môi trường áp suất 1 đến 10 at.
+ Cả hai điện cực được lắp trong ống thủy tinh với điểm nóng chảy cao để
cho nhiệt độ trong đèn nâng cao hơn 500°C. Sự bật sáng của đèn này được thực
hiện nhờ điện cực phụ đặt gần điện cực chính và liên hệ với điện cực chính thông
qua điện trở vài nghìn ohm. Đèn cao áp lợi dụng sự phóng điện hồ quang giữa hai
điện cực để tạo nên bức xạ và các tia cực tím, các tia này phản ứng với kim loại
thủy ngân và va đập vào lớp bột huỳnh quang để phát ra ánh sáng nhìn thấy
+ Khi ống phóng điện hồ quang đủ nóng nó sẽ phát đồng thời tia từ ngoại,
hồng ngoai và ánh sáng nhìn thấy ở các vạch vàng - xanh lá cây - xanh dưomg và
một ít vạch đỏ - cam. Nhiệt độ màu khoảng 3000-4300°K, chỉ sô hoàn màu rất thâp
khoảng 15-25. Người ta thường phủ một lớp bột huỳnh quang trên vỏ bóng đèn,
biên phần lớn tia tử ngoại thành ánh sáng nhờ đó cải thiện được chỉ số hoàn màu lên
40-55.
+ Bức xạ ánh sáng của đèn thủy ngân cao áp gồm bốn vạch chính là 400, 430,
540, 560 nm.
- Ưu điểm: Tuổi thọ cao, bền chắc, không bị ảnh hưởng bởi môi trường

- Nhược điểm:
+ Không giống như các loại pha trộn, bóng đèn thủy ngân cao áp tiêu chuẩn
không có điện cực khởi động. Chúng có hiệu suất thấp, CRI thấp và ảnh hưởng
không tốt lên môi trường do chứa thủy ngân.
+ Hiệu suất phát quang thấp, chỉ 46-55 lm/w.
22


+ Do thủy ngân bị xuống cấp nhanh đồng thời hiệu suất phát quang thấp nên
đèn thủy ngân không thích hợp với chương trình chiếu sáng hiệu suất cao.
- Ứng dụng: dùng chiếu sáng những nơi không gian rộng, ngoài trời
b) Đèn metal halide
- Đây là loại bóng đèn phóng điện mà phần lớn ánh sáng được phát bởi hỗn hợp hơi
thủy ngân và các sản phẩm phân ly của muối kim loại nhóm halogen (halide). So
với bóng thủy ngân cao áp, bóng halide có hiệu suất cao hơn nhiều.
- Đặc trưng cơ bản:
+ P = 35 – 3500W
+ CT = 2900 – 6000K ; CRI = 60 – 93
+ Hiệu suất: 65 -120 lm/W
+ Tuổi thọ trung bình từ 3000 đến 20000 giờ
- Đèn Metal Halide (MH) về cơ bản giống đèn hơi thuỷ ngân cao áp, nhưng bổ
sung thêm vào ống phóng điện muối iốt của các kim loại như indi, thali, natri. Vì iốt
thuộc nhóm halogen nên đèn này có tên gọi là halogen kim loại (Metal Halide).
- Nguyên lý làm việc: khi cấp nguồn cho bộ đèn thì bộ kích từ đóng ngắt điện áp
cao làm cho các điện cực phóng điện hồ quang trong ống. Dưới nhiệt độ cao của hồ
quang hơi thủy ngân bị ion hóa và bức xạ tia cực tím. Tia này phản ứng với hỗn hợp
khí và muối kim loại bên trong ống dưới áp suất cao để phát ra ánh sáng nhìn thấy.
+ Nhờ sự kích thích của hỗn hợp hơi kim loại gồm thuỷ ngân và muối
halogen kim loại mà ánh sáng do đèn MH phát ra được cải thiện đáng kể so với đèn
thủy ngân cao áp. T = 3000-6000°K; CRI = 60 - 90; hiệu suất phát quang H - 70110 lm/W.

- Nhược điểm:
+ Giá thành tương đối cao so với đèn cao áp thủy ngân, màu sắc của đèn thay
đổi theo thời gian sử dụng.
- Ưu điểm:
+ Công suất trong khoảng rộng từ 250 đến 2000 W

23


+ Có tính hoàn màu tốt hơn HPS và do đó được dùng ở những chỗ đòi hỏi
hiệu suất và tính chất hoàn màu của bóng đèn
- Ứng dụng: đèn MH được sừ dụng rộng rãi trong các khu vực cần thể hiện màu
tốt như: các công trình văn hóa thể thao, trường quay truyền hình các nhà xưởng
công nghiệp( hay sử dụng cho các sân vận động: bóng đá, cầu lông, bóng chuyền).
c) Đèn sodium cao áp HPS
Đèn HPS còn có tên gọi khác là SON (SO = sodium, còn N = high pressure
discharge)
- Nguyên lý làm việc: đèn sodium cao áp HPS hoạt động dựa trên việc áp dụng
công nghệ dãy sóng 3 màu tạo ra các phản ứng hóa học giữa các hỗn hợp muối 3
chất natri – thalium – indium tạo thành hợp chất kim loại dạng khí Metal halide
giúp bóng đèn có thể phát sáng. Nguyên lí hoạt động của bóng đèn được tận dụng
khi bóng đèn được phát sáng, áp suất trong bóng tăng tạo được hiệu suất phát
quang cao.
- Đặc điếm cơ bản của đèn HPS:
+ Bỏng thủy tinh alumin hình ô van, kích thước tương đối nhỏ;
+ Trong ống hồ quang có hơi natri (hay sodium) với áp suất 250 mmHg;
+ Đui xoáy, đèn thường được sản xuất trong dải công suất từ 35 đến 1000 W;
+ Nhiệt độ màu từ 2000 đến 2500 °K; hiệu suất phát quang cao, có thể đạt
120
tm/W; chỉ số thế hiện màu không cao, CRI = 20-65% và tuổi thọ lý thuyết

có thể đạt 12000-32000 giờ.
- Ưu điểm:
+ Đèn có nhiệt độ màu thấp, có thể chịu được sương mù
+ Khối lượng nhỏ, cường độ sáng tốt, chịu sức gió tốt
+ Giá thành thấp
- Nhược điểm:
+ Chỉ số hoàn màu thấp, ảnh hưởng xấu tới đường bộ và an toàn giao thông

24


+ Ánh sáng của đèn không thay đổi nhanh chóng ảnh hưởng tới điều tiết của
mắt
+ Tuổi thọ đèn ngắn, chi phí bảo dưỡng cao
- Ứng dụng: Thường được sử dụng trong chiếu sáng ngoài trời, đặc biệt các
công trình giao thông (sân ga, bến xe, bến cảng, đường giao thông,...); chiếu sáng
bên các công trình công nghiệp, văn hóa thể thao có không gian rộng lớn.
d) Đèn sodium thấp áp LPS
- Đặc trưng cơ bản:
+ P = 18 - 185 W
+ Hiệu suất = 100 - 200 lm/W
+ Tuổi thọ trung bình là 8000 - 16000 giờ
- Đây là một trong các bóng đèn phóng điện. Áng sáng phát ra do bức xạ của hơi
natri. LPS là loại bóng đèn hiệu suất cao nhất hiện nay có giá trị đến 200 lm/W.
Tuổi thọ của đèn khoảng 8000-16000 giờ.
- Đèn sodium thấp áp còn có tên khác SOL (SO = sodium, còn L = low pressure
discharge). Đèn có dạng ống trụ, đôi khi hình chữ u, bên trong có hơi natri với áp
suất thấp (khoảng 3-10 mmHg). Ngoài ra để dễ tạo ra phóng điện (mồi) người ta
còn nạp một ít khí xenon. Bình thường hơi natri ở trạng thái ngưng tụ, phải sau vài
phút bật đèn hơi natri mới bốc lên, phát hai vạch ánh sáng, trong đó 95% màu vàng

(bước sóng 589 nm) và 5% da cam (589,6 nm).
- Nguyên lý làm việc: sự phóng điện cho hỗn hợp khí trong ống chữ U ban đầu chỉ
phát ra ánh sáng màu đỏ, hỗn hợp hơi bị nóng lên làm chonatri hóa hơi. Hơi natri bị
phóng điện kích thích phát ra ánh sáng màu vàng. Nhờ có lớp oxit indium nên nhiệt
không tỏa ra ngoài mà quay lại làm cho hơi natri dễ phát sáng hơn. Nhờ đó natri có
độ phát sáng cao tuổi thọ có thể đến 16.000 giờ.
- Đèn sodium thấp áp gồm: bóng thủy tinh ở bên ngoài, bên trong của bóng thủy
tinh này có phủ một lớp indium oxide. Lớp này ngăn cản làm cho tia hồng
ngoại( nhiệt ) phản xạ lại còn ánh sáng nhìn thấy thì xuyên qua dễ dàng. Bên trong
bóng có một ống hình chữ U có hai điện cực và nạp khí trơ xenon, argon, natri.
- Ưu điểm:
25