Ünite 3: Aydınlatma

Aydınlatma yaşamın her alanını etkilemektedir. Aydınlatma temel olarak iç ve dış aydınlatma olarak ayrılmakta ve her ikisi için de mühendislik projeleri yapılmaktadır. Aydınlatmanın kuvveti kadar kalitesi ve rengi de önemlidir.

Aydınlatmanın Tanımı

Güneş ışık sağlamada insanların en eski ve en çok kullandıkları kaynak olmuştur. Zamanla kapalı alanlarda yaşamaya başlamalarıyla ve karanlık saatlerde de görebilmek için meşale, gaz lambası ve mum gibi çeşitli araçlardan faydalanmaya başlamışlardır.

Işık İçin Elektrik Kullanımı

• İki karbon elektrodu arasında elektrik arkı ya da deşarjı yoluyla elektriksel yolla ışık oluşturulması önceden beri bilinen bir kavramdır. Bu yöntemle 1801 yılında ilk ışık kaynağı yapıldıysa da ticari olarak kullanışlı değildi.
• 1840 yılında endeksan (akkor) lambalar üzerine çalışılmaya başlanmıştır. Bu yöntemde yüksek dirençli metallerden elektrik akımı geçirilerek ışık elde edilmiştir. Bu tip lambalar da ışık kalitesinin düzgün olmaması ve çabuk deforme olmaları gibi özelliklerinden dolayı kullanışlı değillerdi.
• 1879 yılında Thomas A. Edison karbon flamanlı endeksan lambayı bularak modern anlamda elektrikle aydınlatmanın öncüsü olmuştur.

Göz ve Görüntü

Bir insan için aydınlatmanın her aşaması doğrudan göz ile algılanacapından dolayı gözün çalışma şekli çok önemlidir. Bizim ışık olarak algıladığımız olgu dalgaboyu 380-780nm aralığındaki elektromanyetik dalgalardır. Gözün bileşenleri ve görevleri şu şekilde özetlenebilir:

• Lens: görüntüyü odaklar
• Retina: ışığı beyne iletmek üzere elektriksel palslara çevirir
• Göz kapağı: gözü korur
• İris: göze giren ışık miktarını ayarlar

Gözde görüntü kalitesi bakılan nesne ile alakalı 4 şarta bağlıdır:

• Nesnenin büyüklüğü: göz odak noktası olarak alındığında nesnenin boyutlarının göz ile yaptığı açı büyüdükçe cisim daha büyük olarak algılanır. Bu durumda bir cisme yakından bakıldığında daha büyük görünecektir.
• Nesnenin parlaklığı: cisme çarpan ışık miktarına ve bu ışığın gözlemci yönünde yansıyan kısmının miktarına bağlıdır. Cismin ışığı yansıtma özelliği görülebilir olması için gereken ışık miktarını doğrudan etkilemektedir. Mat ve parlak yüzeyler farklı miktarda ışık ile rahat görünür hale gelecektir.
• Cisim ve yakın arka planı arasındaki renk farklılığı, kontrast: kontrastın iyi olmadığı yerlerde parlaklığın arttırılması ile ayırt etme şartlarının iyileştirilmesi sağlanabilir.
• Nesnenin görülebilmesi için gerekli olan zaman: cismin parlaklığı azaldıkça gözün iyi bir şekilde cismi algılayaması için gereken zaman azalmaktadır.

Işığın Ölçümü ve Karakteristikleri

• Işık şiddeti: Bir ışık kaynağının etrafındaki herhangi bir noktaya gönderdiği ışık ışınının şiddetidir. Büyüklüğü ışık ışınının şiddetinin büyüklüğüne, ışık kaynağının büyüklüğüne ve yapısına, dikkate alınan noktayı ışık kaynağına birleştiren doğru ile ışık kaynağı ekseni arasındaki açıya bağlıdır. Birimi “kandela - cd” olup, “ I ” ile gösterilir.
• Işık akısı: Bir ışık kaynağından çıkan ışık ışınlarının tümüne ışık akısı denir. 1m yarı çaplı, iç yüzeyi tamamen siyah olan kürenin içine yerleştirilmiş 1 cd ışık şiddetindeki ışık kaynağının kürenin içindeki 1m ² ’lik alana düşürdüğü ışık miktarı 1 “lümen”dir ve “Ø” ile gösterilir.
• Aydınlık düzeyi: 1 cd’lik ışık kaynağından bir doğrultuda çıkan ışık ışınlarının, 1 m uzaklıktaki bir yüzeyde meydana getirdikleri fiziksel etkiye aydınlık düzeyi denir ve değeri 1 lüks olup “ E ” ile gösterilir.
• Parıltı : Görüş alanı içinde parlak bir ışık kaynağı bulunması görüşü engellemektedir. Parlaklık ölçü birimi “Nit”tir ve “L” ile gösterilir. Direk parlaklık ayrıştırıcı, muhafaza ya da kaplayıcı armatür ile engellenir.
• Işık yansıması: Aydınlatmada yansıtma verimi yüksek malzeme ve renk kullanılması aydınlatmanın verimini arttırır.

Renkler

Kırmızı, mavi ve sarı 3 ana renktir ve bunların karışımı ile farklı renkler elde edilmektedir. Aydınlatma için beyaz ya da günışığı en çok istenilen renklerdir. Malzemelerin yapılarından dolayı herbiri farklı dalgaboylarındaki ışıkları farklı miktarlarda yasıtılar ya da emerler. Bu da gözümüzle farklı maddeleri farklı renklerde algılamamıza sebep olur.

Renk sıcaklığı ve renksel geriverim: maviye bakan renkler soğuk renkler olarak tanımlanırken, kırmızıya bakan renkler sıcak renkler olarak tanımlanırlar. Bir ışık kaynağının gün ışığını oluşturan renklere sahip olma oranına renksel geriverim denir.

Lambaların Sınıflandırılması

Aydınlatmada kullanılan 3 tür elektrikli lamba vardır:

• Endeksan lambalar
• Gaz deşarjlı lambalar
• Elektrolüminesant lambalar

En iyi verime sahip ışık kaynağı sadece %25 verime sahiptir. Kaybolan enerji ısı ve görünür olmayan ışık olarak ortama yayılmaktadır.

Lambalar yapıldıkları malzeme ve üretim boyut ve şekline bağlı olarak farklı güç verim ve renkte ışık sağlamaktadırlar. Lamba tiplerine göre ışık dağılımı yönlendirilmiş ya da yönlendirilmemiş olabilir.

Endeksan lambalar:

Bütün endeksan flamanlı lambalar cam bir tüp ve flamandan oluşmaktadır. Çalışma prensipleri flamanın içinden geçen akıma gösterdiği direnç sebebiyle ısınması ve ışık yaymasıdır. Günümüzde flaman malzemesi olarak tungsten kullanılmaktadır.

Zamanla flamanın buharlaşması yüzünden cam kararmakta ve flaman yanmaktadır. Bunu engelleyebilmek için kuvars cam kullanılmakta ve tüpün içi iyot gazı ile doldurulmaktadır.

Deşarj Lambaları:

Civa buharlı, metal halide ve sodyum buharlı olmak üzere 3 tip deşarj lambası bulunmaktadır. Bu lambaların içindeki gaz iyonizasyona uğrayarak zamanla iletken hale gelmekte ve balast ile lamba akımı sınırlandırılmaktadır. Balast ve ateşleyici bu tür lambaların hepsinde ortak olan bileşenlerdir.

Deşarj lambalarının avantajları ve dezavantajları şu şekilde özetlenebilir:

+Uzun ömürlüdürler

+Yüksek değerde ışık akısına sahiptirler

+Endeksan lambalarla benzer ışık akısı yoğunluğuna sahiptirler

+Çevre sıcaklığından fazla etkilenmezler

-Metal halide dışındaki türlerin renksel geri verimi düşüktür

-Voltaj dalgalanmalarına karşı hassastırlar

-Enerji verildiğinde tam parlaklığa ulaşmaları 4 ile 7 dakika süre alır

-Söndürüldüklerinde veya anlık bir akım kesilmesinde tekrar çalışmaları uzun süre alır

Elektrolüminesant lambalar:

Yarıiletkenlerden akım geçirerek ışık elde etme prensibine dayanarak çalışırlar. Özellikle LED (ışık yayan diyot) tipi lambaların geliştirilmesiyle giderek yaygınlaşmışlardır. Düşük güç gerektiren uygulamalarda deşarj lambalarının yerine kullanılmaktadırlar. Daha yüksek güç gereksinimi olan uygulamalarda elektronik ekipmanlardaki ısınma ve ilk kurulum maliyetinin yüksek oluşu kullanımlarını sınırlamaktadır.

LED lambalar cam ya da flaman gibi kırılgan malzemeler ve civa ya da halojen gibi gazlar içermediğinden dolayı kullanımları daha kolaydır.

Fiber optik lambalar:

Fiber optik ışık kaynağı ve fiber optik kablo demetinden oluşur. Fiber optik kablolar tasarıma yada ihtiyaca uygun ebatlarda kesilerek bir demet haline getirilerek ışık kaynağının çıkış noktasına sonlandırıcı muf ile yerleştirilir. Işık kaynağının ürettiği ışık, fiber optik demet içinde taşınarak, armatüre veya direkt fiber optik uca iletilir.

Flüoresan lambalar:

Flüoresan lamba, iç yüzeyi az miktarda cıva ile kaplı hava geçirmez bir cam tüpten oluşur. Tüpün içi ateşleme arkını kolaylaştırmak için argon veya argon-neon gazları ile doldurulur. Ark başladıktan sonra cıva buharı gözle görülemeyen ultraviyole radyasyon yayar ve cam tüpün yüksek derecede duyarlı flüoresan toz ile kaplanmış iç yüzeyi ultraviyole radyasyon tarafından aktif hale gelerek ışık yayar.

Flüoresan lambalar endeksan lambalara göre çok daha verimli olduklarından dolayı yaygın olarak kullanılırlar.

Balast:

Flüoresan ve deşarj lambaları çalışmaya başlama ve sonra da ark akımını kontrol edebilmek için balasttan faydalanır. Bu lambalarda balast şu işlevleri yerine getirmektedir:

• Lamba üzerinden geçen akımı, dizayn değerinde tutar
• Şebeke geriliminde bir düşüş sağlayarak, istenilen lamba geriliminde istenilen lamba akımın geçmesini sağlar
• Güç faktörünün düzeltilmesini sağlar
• Lamba tarafından yayılan elektromanyetik parazitleri zayıflatır

Lambaların ışık renkleri:

• Soğuk Beyaz (Cool White) renkli lamba türü sıklıkla, psikolojik olarak soğuk (resmi) çalışma atmosferi arzu edilen ofislerde fabrikalarda ve ticari işletmelerde tercih edilir
• Lüks Soğuk Beyaz (Delüx Cool White) lamba türü de soğuk beyaz flüoresan lambaların kullanıldığı yerler gibi genel aydınlatma uygulamalarında kullanılır
• Sıcak Beyaz (Warm White) lambalar, kritik renkler içermeyen, sıcak bir sosyal atmosfer arzu edilen yerlerde kullanılır
• Lüks Sıcak Beyaz (Delux Warm White) lambalar doğaya uyum açısından, sıcak beyaz lambalara göre daha memnun edicidir
• Günışığı (Daylight) renkli lambalar, mavi rengin, arzu edilen gerçek kuzey ışığı (güneşten direkt olarak gelmeyen ışık) ile birleştiği endüstri ve iş alanları için özellikle kullanışlıdır.

Aydınlatma Hesapları

Aydınlatma hesaplarındaki amaç aydınlatmanın istenilen seviyede olması için gerekli ışık miktarının belirlenmesidir. Aydınlatma hesapları iç ve dış aydınlatma hesapları olarak ikiye ayrılmaktadır.

İç aydınlatma hesapları:

Aydınlatılacak bölgenin ortalama aydınlık şiddeti, aydınlatma amacına uygun olarak ilgili tablodan alınır ve diğer veriler yardımıyla en uygun armatür ve ampulün cins ve miktarı hesaplanır. Bu hesaplamalarda yaygın olarak kullanılan denklemler aşağıda verilmiştir:

: Gerekli toplam ışık akısı (lm)

:Gerekli aydınlık seviyesi (lüks), tablodan seçilmelidir

:Aydınlatılacak bölgenin alanı (m2 )

:Tesisin kirlenme faktörü, tablodan seçilmelidir

:Tesisin ışığı yansıtma verimi, tablodan seçilmelidir

:Lamba sayısı

:Bir lambanın verdiği ışık akısı (lm)

:Oda indeksi, oda boyutlarına bağlıdır

:Uzunluk (m)

:Genişlik (m)

: Işık kaynağının çalışma düzlemine olan yüksekliği (m)

Dış aydınlatma hesapları:

Dış aydınlatma hesaplarında en yaygın kullanılan yöntem askı noktalarında asılı olan lambaların tam altında ve tam altından uzaklaşan noktalarda oluşturmuş olduğu aydınlık düzeylerinin hesaplanmasıdır. Bu yönteme point-point (nokta-nokta) metodu adı verilir.

Işık dağılım eğrileri:

Işık dağılım eğrileri aydınlatma aygıtlarının, dikkate alınan eksenel düzlemlerinde verdiği ışık şiddetlerinin dağılım grafiğidir. Genellikle bu aygıtların yaydığı ışık simetrik olduğundan dolayı dağılım eğrileri de tek eksen üzerinde çizilirler. Dikkate edilecek eksen sayısı arttıkça gerekli hesaplamaların karmaşıklığı da artacaktır.