20
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
21
– 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
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
22
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