Rok LXXIV 2006 nr 8

41

OPRACOWANIA - WDROŻENIA - EKSPLOATACJA

Praktyczne problemy optyki projektorów oświetleniowych

Stefan Brzozowski

Napisanie niniejszego artykułu zostało sprowokowane

pewnym projektem konstrukcyjnym paraboloidalnego

projektora oświetleniowego, z zastosowaniem świetlówek

kompaktowych. Oryginalność opracowania była zastrzeżona

uwagą, że zabrania się nawet częściowego jego kopiowania.

Projektor miał być przeznaczony do oświetlania estrady

z wysokości 7 m w pewnym obiekcie kulturalnym.

Pomimo mojej negatywnej opinii dotyczącej skuteczności sku-

piania strumienia świetlnego, wykonano prototyp oprawy, który

zawierał zwierciadło paraboloidalne o średnicy 40 cm i głębokości

ok. 35 cm. W określonym przez konstruktorów ognisku tego ukła-

du optycznego zainstalowano cztery świetlówki kompaktowe, które

skutecznie zasłaniały znaczną część powierzchni zwierciadła oraz

nie znalazły się w jego ognisku rzeczywistym.

Podczas próbnego zaświecenia prototypu oprawy potwierdziła się

wadliwość koncepcji. Sądzę więc, że omówienie zasady działania

projektorów oświetleniowych ze zwierciadłami paraboloidalnymi

będzie przydatne zarówno dla początkujących konstruktorów, jak

i obsługujących je pracowników. Ogniskowa tego zestawu, obliczo-

na ze znanego wzoru [3], wynosiła

f = D

2

: 16H = 35

2

: (16 × 5) = 1225/560 = 2,19 cm

gdzie: H – głębokość zwierciadła, D – średnica zwierciadła,

f – ogniskowa.

Układ optyczny projektora paraboloidalnego

Idealne skupianie promieni świetlnych przez zwierciadło parabo-

loidalne, tzn. wysyłanie ich równolegle w kierunku osi optycznej,

może nastąpić jedynie wtedy, kiedy źródło światła jest punktowe

i ulokowane w ognisku tegoż zwierciadła. Przebieg promieni świet-

lnych wysyłanych przez punktowe źródło światła przedstawiono na

rysunku 1. W przypadku źródła światła o rzeczywistych wymiarach,

zawsze zachodzi zjawisko pewnej rozbieżności strumienia świetlne-

go. Można je wyjaśnić na przykładzie źródła światła w postaci kulki

o średnicy 2r.

Promień padający na zwierciadło pod kątem α do prostej prosto-

padłej w danym punkcie P powierzchni zwierciadła odbija się pod

takim samym kątem i biegnie bardzo daleko. Promień biegnący po

prostej przechodzącej przez środek kulki odbija się równolegle do

osi optycznej zwierciadła. Promienie wysyłane z innych punktów

jej powierzchni odbijają się w tym samym punkcie P zwierciadła,

lecz już pod różnymi kątami (rys. 2).

Rozbieżność promieni charakteryzuje kąt rozproszenia δ. Tangens

połowy tego kąta wyznacza się z trójkąta prostokątnego, jakim jest

promień kulki r i odległość l jej środka od punktu P

tgδ/2 = r : l

Jest on największy wzdłuż osi odbłyśnika i zmniejsza się stopniowo

dla promieni odbijanych od punktów oddalonych od tejże osi.

Warunkiem uzyskania jak najwęższej wiązki światła, czyli zmini-

malizowania kąta rozproszenia δ, jest więc umieszczanie w ognisku

odbłyśnika paraboloidalnego źródła światła o jak najmniejszym

gabarycie. Można przy tym przyjąć, że praktyczne koncentrowanie

strumienia świetlnego za pomocą zwierciadła paraboloidalnego za-

chodzi dopiero wtedy, kiedy ciało świecące źródła światła ma bar-

dzo małe wymiary w stosunku do wielkości zwierciadła.

W przypadku rzeczywistych źródeł światła, które mają skończone

wymiary, rozproszenie promieni jest nieuniknione – także dlatego,

że tylko część wytworzonego strumienia świetlnego trafia na zwier-

ciadło i jest wysyłana jako wiązka skupiona. Samo źródło wysyła

promienie według własnej krzywej światłości i może psuć potrzebny

efekt oświetlenia punktowego. Zapobieganie temu zjawisku polega

na ustawieniu tzw. przeciwzwierciadła sferycznego. Zawraca ono te

„uciekające na boki” promienie w kierunku odbłyśnika, w którym

odbijają się według opisanej wyżej zasady (rys. 2).

Dodatkowym elementem układu optycznego projektora parabo-

loidalnego, ograniczającym rozpraszanie się strumienia świetlnego,

może być raster koncentryczny, zatrzymujący promienie świetlne

rozchodzące się zbyt szeroko (rys. 3). Największy kąt rozproszenia

δ mają promienie świetlne odbijane od zwierciadła przy jego osi.

Mgr inż. Stefan Brzozowski – projektant systemów oświetleniowych,

reżyser światła

Rys. 1. Podstawowy schemat układu optycznego

projektora paraboloidalnego

z punktowym

ciałem świecącym

Rys. 2. Kąty rozproszenia

w projektorze przy źródle światła

o wymiarze rzeczywistym

Rys. 3. Żarówka

z przeciwzwierciadłem sferycznym

42

Rok LXXIV 2006 nr 8

Im dalej od osi, tym ta rozbieżność staje się mniejsza. Aby ją zmi-

nimalizować, stosuje się żarówki z żarnikami o obwiedniach wal-

cowych (rys. 4), których osie podłużne pokrywają się z osią zwier-

ciadła.

Uzyskiwanie maksymalnej sprawności świetlnej i skupiania stru-

mienia świetlnego jest uwarunkowane dokładnym wyregulowaniem

każdego układu optycznego w ten sposób, aby środek źródła światła

znajdował się w ognisku paraboloidy. Każda oprawa powinna więc

zawierać elementy do takiego właśnie jej regulowania, w granicach

tolerancji wymiarowych właściwych źródeł światła. Dla uzyskiwa-

nia plam świetlnych o małych średnicach, niektóre typy projekto-

rów paraboloidalnych są konstruowane z przeznaczeniem do stoso-

wania w nich żarówek na małe napięcia, które mają krótkie żarniki,

o małych średnicach (rys. 5).

Przy pracach konserwacyjno–obsługowych – zwłaszcza przy wy-

mianie źródeł światła – zachodzi często konieczność wyregulowa-

nia układu optycznego. Powinno się tego dokonywać w warunkach

laboratoryjnych. Trudno jest jednak wozić np. jeden mały projek-

tor do specjalistycznego i odległego laboratorium. Z własnego

doświadczenia mogę przytoczyć metodę organoleptyczną, dającą

zadowalające rezultaty eksploatacyjne. Mianowicie – każdy dobrze

wyregulowany projektor lub naświetlacz powinien wyświetlać pla-

mę świetlną w miarę równomiernie naświetloną. Plamę taką należy

oglądać na gładkiej powierzchni, w jednolitym ciemnym kolorze.

Projektory żarówkowe można regulować przy znacznie obniżonym

napięciu. Wtedy nie nagrzewają się silnie, a osoby regulujące wi-

dzą na bieżąco, jak zmienia się oświetlenie plamy świetlnej i mogą

szybko zafiksować (unieruchomić) źródła światła w prawidłowej

pozycji.

Każda oprawa musi być dobrze wentylowana, w celu uniknięcia

nadmiernego przegrzewania się szczególnie ważnych elementów jej

układu optycznego, takich jak zwierciadło, źródło światła, elementy

prąd wiodące, korpus oprawy oraz uchwyty służące do kierowania

i aretowania.

Zastosowanie lamp metalohalogenkowych z łukami zamknięty-

mi (w stosunkowo małych kolbach) pozwala na budowanie opraw

z krótszymi ogniskowymi i – tym samym – z głębszymi odbłyśnika-

mi paraboloidalnymi, w których kąty objęcia strumienia świetlnego

są duże. Małe gabaryty świecących łuków umożliwiają jednocześ-

nie osiąganie małych kątów rozproszenia δ. Zwiększa to sprawność

opraw i pozwala na uzyskiwanie bardzo dużych światłości kierun-

kowych.

Obok projektorów wąskostrumiennych warto zwrócić uwagę

na oprawy, nazywane naświetlaczami. Wiele typów tych opraw

jest przystosowanych do rurkowych żarówek halogenowych lub

lamp metalogalogenkowych z długimi łukami. Oprawy te służą do

oświetlania dużych powierzchni i charakteryzują się odbłyśnikami

(zwierciadłami) o dwóch krzywiznach (rys. 6). Pierwsza z nich to

krzywizna paraboliczna, w płaszczyźnie prostopadłej do osi podłuż-

nej źródła światła, zaś druga – walcowa, uzyskana jakby z równole-

głego przesunięcia paraboli wzdłuż tej osi.

Naświetlacze tego typu charakteryzują się zawężonym rozsyłem

światłości w płaszczyźnie prostopadłej do osi zainstalowanej w niej

lampy. Warunkiem prawidłowej pracy takiej oprawy jest wpółosio-

wość źródła światła i odbłyśnika oraz pokrywanie się tej osi z ogni-

skiem paraboli przekroju poprzecznego. Niektóre typy naświetlaczy

są wyposażane w odbłyśniki o powierzchniach z niezbyt głębokimi

wytłoczeniami, eliminującymi powstawanie nierównomierności

w rozkładzie natężeń oświetlenia w obrębie plamy świetlnej (tzw.

gorących punktów). Wytłoczenia powodują też rozmywanie granic

plam świetlnych, co jest często bardzo przydatne w oświetleniu de-

koracyjnym.

Obecnie – wobec upowszechnienia się lamp metalohalogenko-

wych z krótkimi lub długimi łukami – wiele opraw do oświetlenia

ogólnego i dekoracyjnego ma zmniejszone wymiary w stosunku do

opraw żarówkowych, użytkowanych w tych samych celach. Dzię-

ki stosunkowo małym gabarytom, lampy te mogą być stosowane

w oprawach z głębszymi odbłyśnikami, charakteryzującymi się

większymi kątami objęcia strumienia świetlnego, co – w połączeniu

z wysoką skutecznością świetlną lamp wyładowczych – daje wyso-

kie sprawności świetlne opraw oraz ich dużą efektywność. Ponadto

oświetlane obiekty odznaczają się wyższymi luminancjami, zapew-

niającymi lepsze warunki pracy wzrokowej.

Świecące projektory zainstalowane w pobliżach traktów komuni-

kacyjnych i osiedli są często widziane z większych odległości. Może

to być przyczyną dokuczliwych olśnień u przypadkowych osób

– mieszkańców okolicznych domów czy też kierowców przejeżdża-

jących samochodów. Wydaje się więc celowe zaopatrywanie pro-

jektorów z lampami metalohalogenkowymi w rastry ograniczające

rozsył strumienia świetlnego tylko do powierzchni przeznaczonej

do oświetlenia. Olśnienia wywoływane niekontrolowanymi rozsyła-

mi bywają bardzo silne i wywołują odczuwane przez wiele sekund

czarne powidoki. Szkodliwości takiego zjawiska, np. w przypadku

kierujących pojazdami, nie trzeba chyba uzasadniać.

Zakończenie

Za pomocą omówionych opraw można uzyskiwać wąskie smugi

świetlne, o światłościach osiągających nawet megakandele. Należy

jednak pamiętać, że osiąga się to nie przez wiarę w cudowną „moc

świetlną paraboloidy dla koncentracji strumienia świetlnego”, lecz

przez znajomość prawideł jej racjonalnego zastosowania przy kon-

struowaniu opraw wąskostrumiennych.

Rys. 4.

Żarnik projektorowy w obwiedni cylindrycznej

Rys. 5. Żarówka projektorowa

z przeciwzwierciadłem

Rys. 6. Schematyczny naświetlacz

z odbłyśnikiem walcowo-parabolicznym:

f – ogniskowa parabol, 1 – bok oprawy,

2 – zwierciadło, 3 – liniowe źródło światła

OPRACOWANIA - WDROŻENIA - EKSPLOATACJA

Rok LXXIV 2006 nr 8

43

Autor artykułu pragnie zwrócić uwagę zainteresowanych projek-

tantów i konstruktorów na złożoność zagadnień związanych z pro-

jektowaniem i konstruowaniem oświetleniowych opraw projekto-

rowych. Przedstawione informacje mogą okazać się przydatne dla

elektryków w pracach konserwacyjnych i naprawczych.

W procesie projektowania konstrukcji odbłyśnika należy uwzględ-

niać szereg dodatkowych parametrów, takich jak np. kąt objęcia

strumienia świetlnego przez odbłyśnik, kąt ochrony.

Szczegółowe omówienie zagadnień optyki opraw oświetlenio-

wych rozmaitych typów, szczegółów konstrukcyjnych oraz zasad

ich użytkowania można znaleźć w podanej bibliografii.

LITERATURA

[1] Brzozowski S.: Technologia oświetlenia scenicznego. WNT, Warszawa 1968

[2] Dybczyński W.: Filmowy i telewizyjny sprzęt oświetleniowy. WNT, Warszawa 1992

[3] Oleszyński T.: Elektryczne oprawy oświetleniowe. WNT, Warszawa 1978

Rozwój lamp osobistych w kopalniach

Stefan Gierlotka

Od najstarszych czasów człowiek zatrudniony przy

podziemnej eksploatacji minerałów musiał posługiwać się

oświetleniem sztucznym.

Lampy z otwartym płomieniem

W okresie neolitu – ok. 2300-1800 lat p.n.e. – w pierwszych ko-

palniach krzemienia do oświetlenia stosowano nasączane łuczywa.

W późniejszym okresie zastosowano kaganki – naczynia wypełnio-

ne łojem z palącym się knotem. Jako knota używano sierści zwierzę-

cej lub włókna roślinnego. Naczynia w postaci czarek wykonywano

z wypalonej gliny. Lampy takie można zobaczyć w Państwowym

Muzeum Archeologicznym w Warszawie, a także w Muzeum Gór-

niczym w Zabrzu.

Z początkiem XIX wieku w lampach górniczych zaczęto stosować

olej rzepakowy. Zastąpiono wtedy płaskie kaganki lampami olejo-

wymi, stosowanymi w górnictwie do połowy XIX wieku.

W końcu lat sześćdziesiątych XIX wieku w kopalni „Król” w Cho-

rzowie przeprowadzono próby zastosowania nafty w lampach górni-

czych. Nie dały one jednak pomyślnych rezultatów – lampy naftowe

bardzo dymią, co jest uciążliwe dla ludzi.

Stosowanie lamp płomiennych stwarzało zagrożenie wybuchu me-

tanu wydzielającego się z urabianego złoża węglowego. Pierwszy

udokumentowany wybuch metanu od lampy olejowej wystąpił

w 1786 roku na Śląsku, w kopalni Glückauf w Wałbrzychu.

W 1862 roku niemiecki chemik, Woehler – ogrzewając wapno pa-

lone i proszek koksowy do bardzo wysokiej temperatury – uzyskał

karbid – węglan wapna (CaC

2

). Produkt ten pod wpływem działania

wilgoci rozkładał się, wydzielając znaczne ilości acetylenu (C

2

H

2

),

palącego się jasnym płomieniem. W 1892 roku kanadyjski przedsię-

biorca, Thomas Wilson, rozpoczął przemysłową produkcję karbidu.

W tym samym czasie lampy karbidowe zostały rozpowszechnione

w kopalniach.

Lampa karbidowa składała sie z części dolnej – stanowiącej zbiornik

karbidu i górnej – ze zbiornikiem wody. Do zbiornika karbidu wkra-

plała się woda cieknąca z metalowej rurki, regulowana zaworkiem.

Z HISTORII TECHNIKI

Dr inż. Stefan Gierlotka – Kopalnia Węgla Kamiennego „Wujek”

w Katowicach

Rys. 1.

Górniczy kaganek otwarty

z XVIII wieku

Rys. 2. Górnicze lampy olejowe

Rys. 3. Lampy karbidowe