plik

Rok LXXIV 2006 nr 8

ANALIZY - BADANIA - PRZEGLĄDY

Nowoczesne specjalistyczne oświetlenie przemysłowe

Krzysztof Zaremba

Oświetlenie ma ogromny wpływ na efekty końcowe procesu

technologicznego, choć bezpośrednio nie jest zazwyczaj jego

elementem – ponad 80% informacji z otoczenia dociera

bowiem do człowieka za pomocą narządu wzroku. Dobre

oświetlenie zapewnia odpowiednie warunki pracy obsługi

wzrokowej, co ma bezpośredni związek z przebiegiem

procesu technologicznego, a zatem i z końcową jakością

wyrobów.

Specjalistyczne oświetlenie może uwypuklić bryłę przedmiotu

oraz pomóc zauważyć wady produkcyjne. Wykorzystanie efek-

tu stroboskopowego pozwala zobaczyć i sterować przedmiotami

w ruchu. Dzięki oprawom ze światłem spolaryzowanym można

wyeliminować olśnienie odbiciowe lub też zobaczyć naprężenia

wewnętrzne w przezroczystych przedmiotach. Z drugiej strony złe

oświetlenie może uniemożliwić zobaczenie ważnych szczegółów,

powodować zmęczenie i rozdrażnienie pracowników, może stwa-

rzać różnego rodzaju zagrożenia.

W artykule omówiono problemy związane z ogólnym oświetle-

niem przemysłowym. Następnie skoncentrowano się na oświetleniu

specjalistycznym, realizowanym za pomocą systemów światłowo-

dowych (włączając w to płyty światłowodzące) oraz diod oświet-

leniowych. Pokazano przykładowe obszary zastosowania światła

spolaryzowanego.

Oświetlenie ogólne

Ogólne zasady oświetleniowe zawarte są w normie PN-EN

12464-1:2004 „Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy.

Część 1. Miejsca pracy we wnętrzach”. Zawiera ona wymagania

dotyczące głównie jakości oświetlenia pola zadania wzrokowego

i bezpośredniego jego otoczenia. Dotyczy to minimalnego śred-

niego natężenia oświetlenia, jego równomierności oraz ogranicze-

nia olśnienia przykrego, powodowanego przez stosowany sprzęt

oświetleniowy.

Wymagane minimalne poziomy natężenia oświetlenia (tzn. ilora-

zu strumienia świetlnego, wyrażonego w lumenach, padającego na

dany obszar i pola powierzchni tego obszaru) wynoszą w większości

przypadków 500 lx. Jednoznacznie wynika z tego, że normatywne

oświetlenie dużych powierzchni pracy wymaga zastosowania źródeł

światła o odpowiednio dużym strumieniu świetlnym, a co za tym

idzie – o odpowiednio dużej mocy.

W pomieszczeniach – oprócz zapewnienia odpowiedniej jakości

oświetlenia – wymagany jest także odpowiedni komfort świetlny,

związany z dobrym oddawaniem barw, modelowaniem za pomocą

odpowiedniego ukierunkowania światła oraz uzyskaniem dobrego

rozkładu luminancji w otoczeniu.

Wybierając źródło światła białego, należy wziąć pod uwagę jego

wskaźnik oddawania barw (powierzchnia oświetlona może mieć

inną barwę niż w dzień) oraz skuteczność świetlną (ilość strumie-

nia świetlnego wytwarzaną z jednostki mocy dostarczonej [lm/W]),

która decyduje o energooszczędności projektowanej instalacji.

W przypadkach, gdy wystarczające jest dobre oddawanie barw (na

poziomie 80÷90), można wybrać źródła światła o większej sku-

teczności świetlnej (do 105 lm/W). Źródła o najlepszym wskaźniku

oddawania braw (90÷100) charakteryzują się skutecznością na po-

ziomie 65 lm/W.

Ogólne oświetlenie wewnętrzne, we wszystkich możliwych

przypadkach, powinno być realizowane za pomocą lamp fluore-

scencyjnych. Wielość typów świetlówek umożliwia dokonanie

wyboru zgodnego z wymaganiami oświetleniowymi. Dzięki wpro-

wadzeniu sterowalnych elektronicznych układów zasilających

świetlówki napięciem o częstotliwości 40÷100 kHz, wzrosła ener-

gooszczędność instalacji oświetleniowych i zniknął problem tęt-

nienia światła. Dodatkowo pojawiła się możliwość łączenia poje-

dynczych opraw oświetleniowych w systemy o skomplikowanych

zadaniach.

W nowoczesnych urządzeniach oświetleniowych istnieje możli-

wość zaprogramowania wybranych sytuacji, zgodnie z zasadami ra-

cjonalnego oświetlenia miejsc pracy. Czasami świetlówki nie mogą

być stosowane, np. w pomieszczeniach wysokich lub w niskich

temperaturach. W tym przypadku powinny być stosowane wysoko-

prężne lampy metalohalogenkowe.

Widoczny w ostatnich latach rozwój lamp metalohalogenkowych

o jarzniku ceramicznym oraz poprawa ich jakości i zwiększenie

zakresu dostępnych mocy (szczególnie mniejszych) spowodowały

większe zainteresowanie tymi lampami w oświetlaniu wnętrz. Na-

leży jednak pamiętać, że są to źródła o dużym tętnieniu strumienia

świetlnego (efekt stroboskopowy), dużej luminancji (olśnienie) oraz

długim czasie ponownego zapłonu w przypadku zaniku napięcia.

Problemy te zostaną z pewnością w przyszłości wyeliminowane,

dzięki zastosowaniu elektronicznych układów stabilizacyjno-zapło-

nowych.

Oświetlenie przemysłowe musi znajdować się często w miejscach

narażonych środowiskowo na duże zapylenie, wilgoć, wodę, niską

lub wysoką temperaturę, zagrożonych wybuchem lub obecnością

chemikaliów. W zależności od istniejących warunków, należy do-

konać wyboru opraw typowych lub w wykonaniu specjalnym, np.

górniczych, okrętowych itp.

Światłowodowe systemy oświetleniowe

Światłowodowe systemy oświetleniowe (rys. 1), pomimo swej

złożoności i związanej z tym wysokiej ceny oraz małej sprawności

(sięgającej tylko 20%), często są wykorzystywane w specjalistycz-

nych zastosowaniach przemysłowych. Powszechnie znane ich właś-

ciwości to [3]:

– przenoszenie tzw. bezpiecznego światła, czyli pozbawionego pro-

mieniowania ultrafioletowego (UV) i podczerwonego (IR),

Dr inż. Krzysztof Zaremba – Wydział Elektryczny Politechniki Białostockiej

Rok LXXIV 2006 nr 8

– brak wprowadzania zakłóceń elektromagnetycznych,

– niewywoływanie zagrożenia porażeniem elektrycznym,

– bezpieczeństwo stosowania w warunkach zagrożenia wybuchem.

Świecące końcówki światłowodów mogą być ułożone w dowolny

kształt, tak aby równomiernie oświetlać różnorodne powierzchnie.

Światłowody mogą być prowadzone w skomplikowanych profilach.

Ich stosowanie jest szczególnie przydatne w środowisku wilgotnym

i wodnym.

Projektowanie systemu oświetlenia światłowodowego polega na

odpowiednim doborze wszystkich jego elementów (rys. 1).

Oświetlacze (generatory, iluminatory) światłowodowe mogą być

wyposażone w niskonapięciowe żarówki halogenowe (do 100 W)

lub wyładowcze lampy metalohalogenkowe o większych mocach.

Żarówki halogenowe wytwarzają światło o ciepłej barwie i bardzo

dobrym oddawaniu barw. Ich parametry świetlne w ciągu całego

okresu pracy niewiele się zmieniają. Trwałość żarówek halogeno-

wych jest jednak mała – maksymalnie do 4–6 tys. godzin. Charakte-

ryzują się one małą skutecznością świetlną (ok. 20 lm/W), co wpły-

wa na konieczność stosowania źródeł o większej mocy lub też kilku

oświetlaczy. Promieniowanie żarówek halogenowych zawiera duże

ilości promieniowania UV i bardzo dużo IR.

Wyładowcze lampy metalohalogenkowe charakteryzują się dużą

skutecznością świetlną (do 100 lm/W) i większą trwałością (do 8–

12 tys. godzin). Ich światło ma jednak wysoką temperaturę barwo-

wą, niski wskaźnik oddawania barw (na poziomie 85), a parametry

świetlne są zmienne w czasie działania. Poza tym promieniowanie

lamp metalohalogenkowych zawiera bardzo duże ilości szczególnie

szkodliwego promieniowania UV i dużo IR.

Światłowody oświetleniowe dzielą się pod względem materiału,

z którego są wykonane, na zrobione z tworzyw sztucznych (pla-

stic optical fiber – najczęściej z polimetakrylanu metylu PMMA)

i szklane (glass optical fiber). Materiał, z jakiego wykonany jest

światłowód, decyduje o jego parametrach. Powszechne przekona-

nie, że promieniowanie optyczne wychodzące ze światłowodu jest

promieniowaniem pozbawionym szkodliwego promieniowania UV

i IR, jest błędne.

Analiza krzywych tłumienności światłowodów POF i GOF poka-

zuje, że mają one podobną średnią tłumienność w zakresie widzial-

nym (strata strumienia świetlnego ok. 3%/m), lecz przenoszą też

promieniowanie szkodliwe, choć w różnym stopniu – w zależności

od zastosowanego materiału [3]. Światłowody POF nieznacznie

tłumią krótsze długości fali, tzn. promieniowanie niebieskie, zielo-

ne, dobrze przewodzą też promieniowanie UV. Światłowody GOF

– przeciwnie – dobrze przewodzą promieniowanie czerwone i IR.

Porównanie parametrów światłowodów, które powinny być brane

pod uwagę, przedstawiono w tabeli.

W zależności od typu źródła światła i zastosowanego światłowo-

du, bezpieczne światło wyjściowe może zapewnić tylko odpowied-

ni filtr optyczny (lub zestaw filtrów), zastosowany w oświetlaczu

światłowodowym. Światło wychodzące ze światłowodu oświetle-

niowego jest skupione w wąskim stożku (połówkowy kąt rozsyłu

±18º), co w większości zastosowań eliminuje konieczność stosowa-

nia dodatkowych końcówek oświetleniowych.

Należy pamiętać, że ilość strumienia świetlnego przenoszonego przez

światłowód zależy od jego średnicy i użytego oświetlacza. Przykładowo,

światłowód POF o średnicy 1 mm i długości 2 m przenosi od ok. 1 lm

(oświetlacz halogenowy małej mocy) do ok. 10 lm (oświetlacz metaloha-

logenowy chłodzony wentylatorem). Wartości strumienia świetlnego nie

są więc duże, co wyraźnie wskazuje na celowość stosowania tego typu

systemów – głównie w specjalistycznym oświetleniu miejscowym.

Inną odmianą urządzeń wykorzystujących światłowodzenie, czyli

efekt całkowitego odbicia wewnętrznego, są płyty lub rury świat-

łowodzące (rys. 2). Strumień świetlny z jednego źródła światła jest

przez taki element częściowo przewodzony, a częściowo rozpra-

szany przez skomplikowane mikrostruktury pryzmatyczne, dzięki

czemu uzyskuje się duże powierzchnie świecące o stałej luminancji,

przy niewielkich wysokościach urządzenia. W urządzeniach tego

typu występują mniejsze ograniczenia co do ilości przenoszonego

strumienia świetlnego (rury takie są stosowane nawet do wprowa-

dzania światła dziennego do pomieszczeń). Światło w takich opra-

wach może być pozbawione szkodliwego promieniowania, a w pły-

tach światłowodzących – nawet spolaryzowane.

Rys. 1. Budowa światłowodowego systemu oświetleniowego

Porównanie wybranych parametrów światłowodów z PMMA i szkła

Cecha

PMMA

Szkło

Przewodnictwo IR (podczerwień)

małe

duże

Przewodnictwo UV (nadfiolet)

duże

małe

Przewodnictwo z zakresu 400–480 nm

(niebieskie)

dobre

słabe

Przewodnictwo z zakresu 660–740 nm

(czerwone)

słabe

dobre

Zmiana temperatury barwowej światła

na wyjściu z kabla

szybko

rośnie

maleje

Zmiana wskaźnika oddawania barw

na wyjściu z kabla

maleje

Dopuszczalna temperatura pracy

-40º÷ +70ºC -60º÷ +130ºC

Starzenie materiału (w suchym otoczeniu)

powolne

brak

Odporność na wilgoć

wysoka

średnia

Odporność na chemikalia

niska

wysoka

Odporność na płomień

niska

wysoka

Obróbka (poza fabryką)

możliwa

bardzo trudna

Dowolność długości

i średnicy kabli w wiązce

duża

mała

ANALIZY - BADANIA - PRZEGLĄDY

Rok LXXIV 2006 nr 8

Przykładowe zastosowanie oprawy modelowej ze światłem spola-

ryzowanym przedstawiono na rysunku 3, gdzie dzięki dodatkowym

okularom polaryzacyjnym wyeliminowano olśnienie odbiciowe

od powierzchni montowanych rastrów zwierciadlanych. Rysunek

4 przedstawia taką samą oprawę i możliwość obserwacji naprężeń

wewnętrznych w elemencie uzyskanym metodą wtrysku.

Diody oświetleniowe

Diody oświetleniowe LED (light emitting diode) są nowoczes-

nymi źródłami światła, które powinny być stosowane w spe-

cjalistycznym oświetleniu przemysłowym. Mówi się, że w nie-

dalekiej przyszłości wyprą one większość z używanych źródeł

światła [2]. Obecnie jednak zastosowanie diod LED powinno być

poprzedzone analizą ich parametrów. W przypadku konieczności

stosowania światła barwnego (np. w sygnalizacji), diody kolo-

rowe mają przewagę nad źródłami światła białego, bo wytwa-

rzają światło o danej barwie (prawie monochromatyczne). Diody

kolorowe są źródłami światła barwnego o dużej skuteczności

świetlnej, a w oprawach nie występuje konieczność stosowania

filtrów barwnych.

Światło białe może być wytwarzane dwiema metodami: przez

zmieszanie światła trzech diod barwnych RGB oraz przez zastoso-

wanie luminoforów w diodach niebieskich lub UV. Typowe diody

o białym świetle i tzw. dużej jasności (światłość 5÷10 cd) działa-

ją na zasadzie luminescencji.

Ich światło ma wysoką temperaturę

barwową (odcień niebieski), niski wskaźnik oddawania barw, ni-

ską skuteczność świetlną (na poziomie 10÷15 lm/W) i trwałość ok.

10÷15 tys. godzin. Dioda o mocy ok. 100 mW i strumieniu świet-

lnym 1÷1,5 lm może być stosowana raczej jako sygnalizacyjna niż

oświetleniowa (jedna dioda może oświetlić z natężeniem oświetle-

nia 500 lx z odległości 10 cm obszar o średnicy ok. 2,5 cm). Zaletą

takich diod jest zasilanie niskim napięciem (3÷3,5 V), mały prąd

płynący (30÷40 mA) oraz brak problemów termicznych (zimne

źródło światła).

Do celów oświetleniowych powinny być stosowane diody LED

o dużych mocach (1÷5 W) i strumieniu świetlnym do 150 lm.

Mają one wiele parametrów różniących je od diod małej mocy,

np. pracują przy niskim (bezpiecznym) napięciu stałym, jednak

ich prądy sięgają 1,4 A. Układ zasilający takiej diody wymaga

stabilizowanych zasilaczy prądowych, a nie (jak w przypadku

małych mocy) stabilizacji opornikiem. Tylko wtedy możliwe jest

uzyskanie – w przypadku diod o wysokiej temperaturze barwo-

wej i niskim wskaźniku oddawania barw – skuteczności świetlnej

dochodzącej do 40 lm/W (diody wytwarzające światło o ciepłej

barwie i wysokim wskaźniku oddawania barw mają cały czas

skuteczność świetlną porównywalną z żarówkami halogenowy-

mi – 20 lm/W). Diody łatwo współdziałają z systemami kontroli

i sterowania, choć sterowanie ich jasnością odbywa się w przy-

padku dużych mocy poprzez zmianę współczynnika wypełnienia,

a nie wartości prądu (możliwe zakłócenia elektromagnetyczne).

Niestety, diody LED dużej mocy nie są już zimnymi źródłami

światła. Temperatury pracy ich złącza sięgają 120º÷135º i to po

zastosowaniu radiatorów. Wynika z tego, że diody LED dużej

mocy, mimo że ich światło jest w dużym stopniu bezpieczne (tzn.

nie zawiera promieniowania IR i może zawierać jedynie nie-

wielkie ilości promieniowania UV), same nie są bezpieczne pod

względem temperaturowym.

Podstawową zaletą nowoczesnych diod LED jest bardzo wysoka

trwałość, sięgająca 50÷100 tys. godzin. Trwałość taka niedostępna

jest praktycznie w przypadku innych źródeł światła białego (np. spe-

cjalistyczne świetlówki firmy AURALIGHT mają trwałość 36 tys.

godzin). Trwałość diod LED jest porównywalna lub nawet większa

od czasu życia maszyn, więc mogą być one montowane w trudno

dostępnych miejscach.

Ponieważ pojedyncze diody są zasilane prądem stałym o niskim

napięciu, a do oświetlania używa się zazwyczaj kilku gałęzi równo-

ległych, to nawet przypadkowa awaria jednej z nich nie powoduje

konieczności natychmiastowej naprawy. Dodatkowo trwałość diod

LED nie zależy praktycznie od takich czynników środowiskowych,

jak drgania lub naprężenia. Na trwałość nie ma również wpływu

ilość załączeń. Z tego powodu diody są już powszechnie stosowane

we wskaźnikach i sygnalizacji, szczególnie że szybkość ich działa-

nia jest od 100 do 200 ms większa niż żarówek. O taki właśnie czas

skraca się czas reakcji obsługi urządzeń.

Podsumowanie

Nowoczesne specjalistyczne oświetlenie przemysłowe charaktery-

zuje się bardzo dużą trwałością. Może ono być montowane w trudno

dostępnych miejscach. Światło może być pozbawione szkodliwego

promieniowania nadfioletowego i podczerwonego. Nowoczesne

oprawy pozwalają zobaczyć szczegóły niewidoczne w normalnym

oświetleniu, a po zastosowaniu światła spolaryzowanego – nawet

naprężenia wewnętrzne w przedmiotach przezroczystych.

LITERATURA

[1] Pawlak A., Zaremba K.: Wyniki badań wygody widzenia na stanowisku oprawą

z płytą światłowodzącą. Konferencja „Technika Świetlna”, Warszawa 2005

[2] Schubert E. F.: Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press, 2003

[3] Timson P., Gregson B.: Fibre Optics Lighting&Sensing Technology Book, Schott 1994

Rys. 2. Zasada działania płyty przewodzącej światło z mikrostrukturą

pryzmatyczną

Rys. 3. Stanowisko montażu opraw rastrowych

oświetlone oprawą polaryzacyjną [1]

Rys. 4. Widok naprężeń

w elemencie oświetlonym

oprawą polaryzacyjną

ANALIZY - BADANIA - PRZEGLĄDY