Basisprincipes van licht en verlichting (1)

Transcriptie

1 Katern voor scholing, her- en bijscholing 09 inhoud 1 Basisprincipes van licht en verlichting (1) 5 Fotowedstrijd Zo moet het niet 5 Overzicht cursussen Elektrotechniek Basisprincipes van licht en verlichting (1) Een uitgave van Intech Elektro & ICT en OTIB juli/augustus 2007 Waardoor krijg je een goede verlichting? Het verlichtingsniveau, de lichtver - deling, de lichtkleur en de kleurweergave moeten kloppen. Dat betekent dat bij het ontwerp, de installatie en het onderhoud van een verlichtingsinstallatie aan de gestelde basiseisen moet worden voldaan. Goede verlichting is geen wetenschap en geen kunst, maar vakwerk, dat iedere elektrotechnicus kan leren. In deze bijdrage, die uit meer afleveringen zal bestaan, wordt ingegaan op de basisaspecten. Wat is licht eigenlijk? Bij licht gaat het om een vorm van energie die als elektromagnetische straling optreedt en nauw verwant is aan andere vormen van elektromagnetische straling, zoals radiogolven, infrarode en ultraviolette straling, en röntgenstraling. De diverse soorten straling onderscheiden zich slechts door de golflengte. Stralen met een golflengte tussen 380 en 780 nm vormen het zichtbare deel van het elektromagnetisch spectrum en worden als licht aangeduid (afbeelding 1). Het oog neemt de diverse golflengten binnen dit spectrum waar als kleuren een verloop van rood via oranje, groen, blauw tot aan violet, waarbij de golflengte overeenkomstig vermindert (afbeelding 2). Buiten het rode gebied bevindt zich het gebied van de infrarode straling, die voor het oog niet zichtbaar is, maar die als warmte wordt waargenomen. In het gebied van de golflengten buiten het violette gebied van het zichtbare spectrum vinden we de ultraviolet- AM-radio FM-radio televisie radar microgolven infraroodstraling ultraviolette straling zichtbare straling röntgenstraling gammastralen kosmische straling meter (m) nanometer (nm) 1. Een regenboog toont de kleurbestanddelen van het daglicht. 2. Licht is een deel van de elektromagnetische straling. 09 1

2 De dubbele natuur van licht Licht, te beschouwen als een elektromagnetische golf, is slechts een van de mogelijke manieren om naar straling te kijken, waarbij enkele eigenschappen, zoals breking en reflectie, worden verklaard. Andere eigenschappen zijn echter alleen met de zogenoemde quantumtheorie te doorgronden. Deze theorie beschrijft licht als ondeelbare energiepakketjes, die als quanta of fotonen worden aangeduid en zich als deeltje gedragen. Met de quantumtheorie zijn eigenschappen als het foto-elektrisch effect te verklaren. Wie echt wil weten hoe het zit, doet er goed aan het boek QED, de zonderlinge theorie van licht en materie door Richard Feynman te lezen. (ISBN ). 3. De wet van de reflectie inzichtelijk gemaakt. Deze wet geeft aan dat de hoek van inval gelijk is aan de hoek van terugkaatsing. te straling, die ook niet zichtbaar is voor het menselijk oog, maar als die kan inwerken schade kan veroorzaken aan ogen en huid, zoals bij verbranding door de zon. Wit licht bestaat uit een combinatie van zichtbare golflengten, wat bijvoorbeeld kan worden gedemonstreerd met een prisma dat wit licht in zijn kleurbestanddelen splitst. In de natuurkunde wordt dit ook wel dispersie (kleurschifting) genoemd. Hoe licht zich gedraagt Reflectie, absorptie, transmissie, breking en interferentie kenmerken het gedrag van licht. Reflectie Valt licht op een vlak, dan wordt het gereflecteerd, geabsorbeerd (onderdrukt) of doorgelaten. Vaak vinden we twee of zelfs al deze effecten terug. Hoeveel licht wordt gereflecteerd hangt af van verschillende factoren; van de toestand van het oppervlak van het lichaam, van de invalshoek van het licht en van de spectrale samenstelling van het licht. De reflectiegraad varieert van een paar procent bij zeer donkere vlakken, zoals zwart fluweel, tot meer dan negentig procent bij lichte vlakken, zoals witte verf. De manier waarop licht wordt gereflecteerd, hangt ook af van de vlakheid van het oppervlak. Ruwe vlakken diffunderen (verstrooien) het licht; ze weerkaatsen het in alle richtingen. Daarentegen reflecteren gladde oppervlakten, zoals het oppervlak van stilstaand water of gepolijst glas, het licht zonder breking; ze werken als een spiegel. Een lichtstraal die onder een bepaalde hoek met de loodlijn op een spiegeloppervlak valt, wordt onder dezelfde hoek aan de andere kant van de loodlijn weer teruggekaatst (afbeelding 3); op dezelfde manier waarop een niet draaiende biljartbal aan de band van de biljarttafel terugspringt. Het gaat daar bij om de bekende wet van de reflectie: hoek van inval = hoek van terugkaatsing Spiegelende vlakken zijn bijzonder goed geschikt om op gecontroleerde wijze de gang van de lichtstralen te besturen. Gekromde spiegelreflectoren worden over het algemeen gebruikt voor lichtbundeling, voor verspreiding of voor de opwekking van parallelle of divergerende (uiteenlopende) lichtbundels. Allemaal zijn ze onderhevig aan de wet van de reflectie. Absorptie Als het oppervlak van een materiaal het licht niet volledig reflecteert of het materiaal geen perfecte doorlating (transmissie) geeft, wordt een bepaald lichtaandeel geabsorbeerd. Dit licht verdwijnt en verandert in de meeste gevallen gewoon in warmte. Het percentage van het licht dat wordt geabsorbeerd door een oppervlak (absorptie) hangt af van de invalshoek en van de golflengte. Hout laat het zichtbare licht bijvoorbeeld helemaal niet door; maar er zijn ook materialen die ondoorlaatbaar zijn bij bepaalde lichtfrequenties en doorlaatbaar bij andere. Zo is glas ondoorlaatbaar bij ultraviolette straling als de golflengte ervan onder een bepaalde waarde ligt, maar transparant bij zichtbaar licht. Transmissie Doorzichtige materialen laten een bepaald deel van het op het oppervlak vallende licht door. Het procentuele aandeel van het daarbij doorgelaten licht bestempelen we als lichtdoorlaat of transmissiefactor. Materiaal met een hoge lichtdoorlaat, zoals helder water en glas, laten bijna al het licht door dat niet wordt gereflecteerd. Materialen met een lage lichtdoorlaat, zoals papier, laten slechts een klein deel van dit licht door. Breking Het licht wordt gebroken als een lichtstraal van het ene medium invalt in een ander medium met een andere optische dichtheid (en onder een hoek die niet loodrecht staat op het vlak tussen de beide media). Dit als breking of refractie aangeduide verschijnsel ontstaat omdat de snelheid van het licht verandert, als dit het grens vlak van de twee doorzichtige media met verschillende optische dichtheden passeert. Interferentie Het golfachtige karakter van licht leidt ook tot het interessante verschijnsel van interferentie. Dit wordt bijvoorbeeld zichtbaar bij een dunne oliefilm op het oppervlak van een plas. Vaak laat de olievlek een van kleur veranderend patroon zien van regenboogkleuren zelfs bij wit licht. De oorzaak hiervan is dat de 4. De iriserende kleuren van de staartveren van de mannetjespauw worden door interferentie van het licht veroorzaakt, niet door pigmenten. 09 2

3 verschillende delen van de olielaag ervoor zorgen dat de bepaalde golflengten van het witte licht interfereren (uitdoven) en diverse golflengten (dat wil zeggen kleuren) daardoor zichtbaar worden. Soortgelijke interferentieverschijnselen zijn waarneembaar bij zeepbellen, bij het oppervlak van een cd of bij de staartveren van een pauw (afbeelding 4). Hoe kleur ontstaat Kleur is een nogal gecompliceerd onderwerp, omdat de volgende factoren hierbij een rol spelen: spectrale eigenschappen van het licht (de kleur van een lichtbron hangt af van de spectrale samenstelling van het door de bron uitgestraalde licht); reflectievermogen van het verlichte oppervlak; waarneming door de mens. Een gekleurd oppervlak toont kleur omdat het niet alle golflengten reflecteert, maar slechts enkele (selectief gedrag). Bij een rode kleur wordt een hoger aandeel aan rode kleurcomponenten in het lichtspectrum gereflecteerd en weinig tot helemaal geen blauwe kleurcomponenten. Een rood gelakt voorwerp is echter alleen dan als rood zichtbaar, als het erop vallende licht een voldoende aandeel rode straling bevat dat kan worden gereflecteerd. Daarentegen is zo n voorwerp donker, als de lichtbron geen rode straling bevat (meer hierover bij kleurweergave). Het mengen van licht Van additieve kleurmenging is sprake als het combineren van bepaalde gekleurde lichtbundels (rood, groen, blauwviolet) een helderder licht oplevert dan de afzonder - lijke lichtbundels. Als de juiste kleuren met de juiste intensiteit worden gemengd, levert dat zelfs wit licht op. Door de additieve kleurmenging van deze zogenoemde grond- of primaire kleuren ontstaan alle andere lichtkleuren inclusief wit. Er geldt (afbeelding 5): rood en groen geeft geel; rood en blauwviolet geeft magenta (roodachtig lila); groen en blauwviolet geeft cyaan (hemelsblauw); rood en groen en blauwviolet geeft wit. De kleuren geel, 5. Additieve kleurmenging met de grondkleu- magenta en cyaan heten secundaire renrood, groen en blauwviolet. of complementaire kleuren, omdat ze uit combinaties van primaire kleuren bestaan. In de literatuur worden ze ook wel met de uit het Engels afkomstige afkortingen Y(ellow), M(agenta) en C(yan) aangeduid. De kleurentelevisie geldt als een goed voorbeeld voor de additieve kleur menging, omdat het licht dat door de rode, groene en violetblauwe kleurstoffen op het televisiebeeldscherm wordt uitgestraald, zo wordt gecombineerd dat alle zichtbare kleuren en ook wit zichtbaar worden. Verder is er nog de subtractieve kleurmenging die echter bij verlichtingstechniek geen rol speelt. Subtractieve kleurmenging De subtractieve kleurmenging treedt bijvoorbeeld op bij menging van verfkleuren op een palet. Het resultaat is altijd donkerder dan de originele kleuren en, als de juiste kleuren in de juiste verhouding met elkaar worden gemengd, is het resultaat zwart. Subtractieve kleurmenging berust op absorptie. Op wit papier (dat alle kleuren evenveel reflecteert) wordt een kleurstof (inkt of verf) aangebracht. Uit het witte licht dat op het papier valt, wordt door de kleurstof een bepaalde kleur geabsorbeerd. Zo zal geel (Y) dat bij additieve menging ontstaat uit de primaire kleuren rood en groen de kleur blauw absorberen. De kleur magenta (M) absorbeert zo de kleur groen. Door geel en magenta te mengen zal de kleur rood overblijven en ziet het papier er rood uit. Met de subtractieve menging van secundaire lichtkleuren zijn alle andere zichtbare kleuren te maken. Dus: geel en magenta geeft rood; geel en cyaan geeft groen; magenta en cyaan geeft blauwviolet; geel, magenta en cyaan geeft zwart. Een voorbeeld van subtractieve kleurmenging zijn druk producten waarbij de secundaire kleuren cyaan, magenta, geel (CMYK in de drukkerswereld, waarbij K voor zwart staat - de afkorting B(lack) geeft verwarring met blauw) worden gebruikt om een compleet aanbod aan drukkleuren te maken. In drukkerijen worden daarom cyaan, magenta en geel als primaire kleuren aangeduid. Men gebruikt zwart (K) omdat het met de drukinkten C, M, Y alleen op papier niet lukt een mooi zwart te maken. 6. Het principe van kleurweergave. In de bovenste afbeelding verlicht een lamp, die licht met alle kleuren uitstraalt, een draaimolenpaard. Het door het paard gereflecteerde licht valt in het oog van de waarnemer en geeft in zijn hersenen een beeld dat ongeveer overeenkomt met het beeldfragment rechtsboven. In de onderste afbeelding bevat het licht dat op het paard valt geen rode spectraalaandelen. Dit betekent dat door de rode delen van het paard geen licht wordt gereflecteerd en dat deze delen voor de waarnemer, zoals hier weergegeven, donker lijken. 09 3

4 Kleurweergave Hoewel lichtbronnen qua kleur gelijk kunnen lijken, betekent dat niet noodzakelijkerwijs dat alle door hen aangestraalde kleuroppervlakken er ook hetzelfde uitzien. Want twee lichtbronnen, die er verder net zo wit uitzien, kunnen door de combinatie van verschillende golflengten ontstaan. En omdat het oppervlak mogelijk steeds de golflengten daarin in dezelfde mate reflecteert, verandert de indruk van de kleur, als we er een ander licht op laten vallen. Een rode doek ziet er echt rood uit, als we die bij wit licht bekijken, dus met licht met een continu spectrum. Onder een gelijk uitziende witte menging uit geel en blauw licht ziet het er echter grauwbruin uit (afbeelding 6). Doordat rode golflengten ontbreken, is op de doek geen rood zichtbaar dat reflecteert en met het oog kan worden waargenomen. De kleurweergave geldt dan ook als belangrijk aspect bij de keuze van de lichtbronnen voor de verlichtingstoepassingen (afbeelding 7). In bepaalde situaties zouden kleuren zo natuurlijk mogelijk moeten worden weergegeven, met andere woorden zoals onder daglichtomstandigheden, terwijl de verlichting in andere gevallen juist afzonderlijke kleuren benadrukken moet of een bepaalde sfeer zou moeten creëren. Voor de indeling van kleuren naar hun kleurweergave-eigenschappen is de zogenoemde kleurweergave-index (CRI, ook aangegeven met Ra) geïntroduceerd. Het Ra-scala gaat tot maximaal 100: Ra = uitstekende kleurweergave-eigenschappen; Ra = goede kleurweergaveeigenschappen; Ra = gemiddelde kleurweergave-eigenschappen; Tabel 1. Voorbeelden van diverse kleurtemperaturen 7. Kleurweergave van enkele lichtbronnen: gloei- respectievelijk halogeenlamp (links), lagedruknatriumlamp (midden), metaalhalogeenlamp (rechts). Ra < 60 slechte kleurweergaveeigenschappen. We moeten er echter rekening mee houden dat er veel verlichtingssituaties zijn, waarbij het niet zozeer neerkomt op een exacte en natuurlijke kleurweergave, maar veel meer op het verlichtingsniveau en de lichtexploitatie. Kleurtemperatuur Hoewel wit licht uit een kleurmengsel bestaat, lijken niet alle witte kleuren hetzelfde, omdat dat afhangt van de afzonderlijke kleurbestanddelen. Zo zal wit licht met een hoger aandeel rood warmer lijken dan wit licht met een hoger aandeel blauw. Voor het indelen van de diverse soorten wit licht dient het concept van de lichttemperatuur. Grondslag voor de kleurtemperatuur is de kleurindruk van een perfecte Planckse straler bij bepaalde temperaturen. Dit concept laat zich het beste aan de hand van een vertrouwde warmtestraler uitleggen, zoals een gloeidraad van een gloeilamp of een staaf ijzer. kleurtemperaturen lichtsoort kleurtemperatuur (K) kaarsen lampen met wolfraam gloeispiraal tl-lampen hogedruknatriumlampen metaalhalogeenlampen hogedrukkwiklampen maanlicht zonlicht daglicht (zon en heldere hemel) bewolkte hemel Door deze materialen te verhitten tot een temperatuur van K zal de kleurindruk rood zijn, bij K verschijnt de kleur gelig wit, bij K neutraal-wit en bij K koelwit. Met andere woorden: hoe hoger de kleurtemperatuur, hoe koeler de kleurindruk van het witte licht (tabel 1). De kleurtemperatuur geldt als een belangrijk aspect bij verlichtingstoepassingen. De volgende factoren bepalen de keuze van de kleurtemperatuur: sfeer: warmwit geeft een gezellige, uitnodigende atmosfeer, terwijl neutraal-wit een zakelijke bedrijfsatmosfeer oplevert; klimaat: bewoners van een koelere geografische regio geven over het algemeen de voorkeur aan warmer licht, terwijl bewoners van een (sub-)tropische regio meestal voor koeler licht kiezen; benodigde verlichtingsniveau: gevoelsmatig gaan we uit van daglicht als natuurlijke referentie. Warmwit licht komt ongeveer overeen met het daglicht aan het eind van de dag, bij een lager verlichtingsniveau. Koelwit licht is te vergelijken met daglicht rond het middaguur. Dit betekent voor de inzet bij de binnenverlichting: - warmwit licht bij lage verlichtingsniveaus; - neutraal- of koelwit bij zeer hoog verlichtingsniveau. kleurschema van binneninrichting: kleuren als rood en oranje doen het goed bij warmwit licht, koele kleuren als blauw en groen lijken wat meer verzadigd bij koelwit licht. 09 4

5 fotowedstrijd overzicht cursussen Fotowedstrijd Zo moet het niet! Onder het motto Zo moet het niet, gaat Intech Elektro en ICT op zoek naar foto s van slecht of foutief uitgevoerde installaties. Inzenders van wie de foto's worden geplaatst in Intech, kunnen rekenen op een technisch handboek van Isso ter waarde van maar liefst 245 euro. Het handboek bestaat uit twee delen en bevat ruim pagina's aan technische kennis. Vermeldt u alstublieft kort en bondig welke fouten te zien zijn op de foto en uiteraard ook uw naam en adres. Mail of stuur de foto's naar: Redactie Intech Elektro en ICT Zo moet het niet intech@groepvts.nl Postbus AD Zoetermeer Prijswinnaar juli/augustus Marcel van Ravenhorst, docent aan het Hornbeeck College Amers foort is deze maand de winnaar van de fotowedstrijd. Hij ontvangt het hand boek Instal latietechniek van Isso. Van harte gefeliciteerd namens de redactie! Cursusaanbod verlichting Er is een groot aantal cursussen op verlichtingsgebied. Een greep uit het aanbod. Basiscursus Verlichting 560 Voor wie? U bent werkzaam als leidinggevend monteur, werkvoorbereider, technicus of projectleider en u wilt meer rendement halen uit de klanten- en fabrikantencontacten om als ver trouwenspersoon te worden gezien in uw vak, met licht en verlichting in de praktijk beter kunnen scoren en door kennis het zelfbewustzijn versterken in het bedrijf. Lichtberekeningen en normen Lichtberekening Dialux en CAD import/exportfunctie 571 Voor wie? (Aankomend) tekenaar, (leidinggevend) monteur, werkvoorbereider, technicus of projectleider. Lichtberekening Dialux en CAD import/exportfunctie 572 Voor wie? (Aankomend) tekenaar, (leidinggevend) monteur, werkvoorbereider, technicus of projectleider. Verlichting Norm NEN-EN Verlichting Applicaties Winkels, Gezond - heids zorg, Horeca en Culturele Gebouwen Verlichting Applicaties Projectmarketing, Be - rekenen en meten van Verlichting, Norm NEN-EN en Nood- en Vluchtweg - verlichting Noodverlichting en vluchtrouteaanduiding Voor wie? Monteur Laagspanningsinstallaties. Waar? Verkeer Verkeersmaatregelen (VM5) Voor wie? Voorbereidend, uitvoerend en toezichthoudend personeel. Lichtreclame en aanlichten gebouwen De invoertuit van de hollewandoos is niet gebruikt. Draden moeten afzonderlijk worden aangesloten in de CA. Binnenverlichting Energieprestatienormering Voor wie? Ontwerper, projectleider en installateur Waar? cursussen.nen.nl Verlichting Applicaties Kantoren, Industrie, MKB-bedrijven en Energiebesparing Voor wie? U bent werkzaam als leidinggevend mon teur, werkvoorbereider, Verlichting Applicaties Ondergrondse Ruimten, Parkeergarages en Agrarische Bedrijven Neoninstallaties: montage en voorschiften Voor wie? Gediplomeerde vmbo elektrotechnieken medewerker installatiebedrijf. Waar? LED Verlichting Voor wie? Constructeur lichtreclamebedrijf, monteur lichtreclamebedrijf en ontwerper lichtreclamebedrijf., Verlichting Applicatie Woning & Tuin, Terreinen en het Aanlichten van Gebouwen 09 5