전기시스템과 동양공업전문대학 조명공학 왕 문 성 DONGYANG …ocw.dongyang.ac.kr/cms_ocw/electsystem/4423/note/n1_note_20090630.pdf · → 복사속( ) + 전도

1/29 조명공학 전기시스템과왕 문 성 동양공업전문대학DONGYANG TECHNICAL COLLEGE

1

555m3800Ao

7600Ao

그림 6 비시감도 곡선

1-1. 기초사항

빛 : 입자설과 파동설(Maxwell, Plank, Einstein, Kirchhoff 등) 인공 빛 → 자연 주광(晝光 : 낮에 보는 밝은 햇빛)과 같도록 photon(光子) : 일정 진동수로 진동하며 빛의 속도로 진행 Heisenberg → 불확정성의 원리(uncertainty principle) : 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 아는 것은 불가능하다. ⇒ 확률적인 처리 복사(방사, radiation) : 전자파의 형태로 전달되는 energy 복사속(radiant flux) : 단위시간에 한 면에 전달되는 energy 분광복사속 : 단위 파장내의 복사속

Spectrum : 복사를 파장 또는 주파수의 순서로 배열한 것우주선-r선-x선-자외선-빛(가시광선)-적외선-radar-FM-AM-교류전력파

← 파장 짧고 ↓ ↓ 파장 길고 → 주파수 높고 살균, 화학 온열 주파수 낮고 보남파초노주빨

× Å × ×

: (주파수) (파장), × (빛의 속도)

광속(luminous flux) : 복사속을 육안을 보아 빛으로 느끼는 감각을 크기로 나타낸 것, 단위 시감도 복사속

광속

최대시감도를 나타내는 파장 : 555[nm](발광효율 : 680

비시감도 곡선


r

r

dd

r sin

2r sin

r d

l

그림 7 구띠의 입체각

r

d

그림 8 원뿔의 입체각

호도법 : (radian)

입체각 : (steradian)

원뿔의 입체각

∴ ,

×

∴

∴

구의입체각


광도

응고점의 백금의 표면 에서 수직으로 나오는 광도의

점광원 : 투사하는 거리에 비하여 크기가 작은 광원으로, 보통 광원의 크기보다 10배 이상의 거리를 비추는 경우는 점광원으로 취급함. 점광원은 크기는 작지만 공(구형 : 입체)으로 취급함.

인 점광원의 전 광속


I[cd]

r

그림 9 구면의 조도

[4] 조도(illumination) ; 작업 면에 어느 크기의 광속입사? → 단위 면적당 입사광속

미소면 입사광속

에 1 의 광속입사 에 1 의 광속입사 일정한 광속 , 수직으로

또는

평균조도 (조명설계시)

구면의 조도 E

: 역자승의 법칙


A'

A

I

r

그림 10 입사각 여현의 법칙

I

r

h

d

Ev

EhEn

그림 11 수평면 조도

기울어져 들어오는 경우

, ′ , ∴ ′ ,

∴ ′

∴ ; 입사각 여현의 법칙

: 면과 수직인 선(법선)과 광선이 이루는 각

법선조도 ,

,

수평면 조도

×

×

수직면 조도

×


dA dA'=dA cos

I

그림 12 휘도와 투영 면적

[5] 휘도(brightness) : 눈부심, 겉보기 면적(점광원 → 구, 형광등 → 직사각형), 투영면적′ , ′

(A'=겉보기 면적) , nit , stilb → 더 많이 씀, 전구, frost전구

휘도차


FF

F

F

그림 13 반사율, 흡수율 및 투과율의 관계

[6] 광속 발산도 (luminous emittance) → 반사광이나 투과광 등 2차 광속에 의한 광속 밀도, 물체인식과 관련, 조도와 같은 단위, 같은 면에 대해서는 조도를 계산한 다음 반사율 또는 투과율 등을 고려한 광속발산도를 계산함.

radlux, apostilb lambert

조도 인 면의 반사율이 일 때 반사광에 의한 광속발산도

조도 인 면의 투과율이 일 때 반사광에 의한 광속발산도

․완전확산면 → 모든 방향의 휘도가 같은 면휘도 , 광속발산도 →

* 반사율 , 투과율 , 흡수율 , 전체 입사광속, 반사광속, 투과광속 및 흡수 광속을 각각 라 하면,

이고

∴ ∴

ex) 반사율 , 면적 , 광속 입사

, → 반사광에 의한 광속 발산도

→ 반사광에 의한 휘도

ex) 투과율 , 면적 ,

, , ∴


[7] 발광 효율(luminous efficiency) : 광원의 복사속 → 광속 ∴

최대 시감도 555 → 680 2200 , 30 백열전구 → 6

[8] 전등 효율 (lamp efficiency)소비전력 → 광속 →

→ 복사속() + 전도 + 대류 + … > , ∴


1-2. 전등

발광 온도복사 : 백열 전구 luminescence : 형광등, 수은등, 나트륨등, … *추세 : 온도(효율, 고온재료 …)복사가 아닌 쪽으로

◎ 온도 복사(1) 흑체 (black body) - 백금흑, 탄소

→ 입사하는 복사에너지를 완전 흡수하는 물체(반사, 투과 없음)(2) Stefan - Boltzmann's law

흑체, 온도 , 단위표면적에서 단위 시간당의 복사 에너지 W , ×

(3) Wien's displacement law(변위 법칙)최대 분광 복사가 일어나는 파장은 온도에 반비례 , × ex) 555nm,

× ×

(4) Planck's radiation law→ 물체가 방사하는 복사속의 파장마다의 에너지, 식․복잡 : 불필요

(5) 각종 온도복사온도 : 임의 복사체의 복사속이 어떤 온도의 흑체의 복사속과 같을 때 흑체의

온도를 그 물체의 복사 온도색온도 : 임의 복사체의 광색이 어떤 온도의 흑체의 광색과 같을 때 흑체의 온도를

그 물체의 색온도휘도온도 : 임의 복사체의 휘도가 어떤 온도의 흑체의 휘도와 같을 때 흑체의 온도

를 그 물체의 휘도 온도복사온도


1-2-3. 전 구

(1) 전구의 구조(a) 유리구 : 점등온도 고려, 과열되지 않는 크기(소용량 : 연결, 소오다 석회 유리, 대용량

: 경질 붕규산 유리(pirex)), 휘도 줄이기 위하여 불소 화합물( )로 부식 → frost 전구(

로 휘도 감소) 또는 실리카 분말을 내면 코팅처리(빛의 확산면 증가)stem : 붕규산 유리 사용배기관 : 유리구의 배기 및 가스 봉입

(b) base : 합금, bipost 형(c) anchor : 필라멘트지지, 내열, 내진, 몰리브덴선(d) 도입선 : 외부도입선(구리), 봉착부도입선(유리와 팽창 계수 동일, dumet 선, 철, 니켈

합금선에 구리를 두껍게 피착시킴), 내부도입선 : 또는 또는 구리선에 니켈을 피착)

(e) filament : 텅스텐, 융해점 高, 고유저항 적당히 클 것, 고온 승화성 小 → 흑화 小, 가는 선으로 가공 가능

직선형 → 진공 전구(소 용량)coil형 → 단일 coil형, gas入 이중 coil형

(f) filled gas(봉입 가스)gas 損 : 진공 전구 → 가스 손 없음

승화억제 → gas 봉입( 등의 불활성 gas + 질소(방전 가능성을 없애기 위함)) → filament 주위의 gas 대류 → filament 냉각 → 손실

gas損을 줄이려면 gas와 filament 접촉 부위를 작게 : 이중 코일형 필라멘트gas압력 : 점등시 1기압 → 760[], 상온 소등시

～ 기압

(g) getter : 진공 후 남아있는 수분, 산소 → filament 산화 → getter가 수분, 산소와 먼저 반응 → 수명 증가

이하(진공 전구) : (적린) 이상 : (질화바륨)


(2) 텅스텐 전구의 특성Aging : 새 전구 작동시 광속, 전류, 효율 등의 과도현상이 없어 질 때까지동정특성(performance) : aging이 끝난 후 사용함에 따라 filament가 승화하면서

광속, 전류, 효율 등이 감소하는 과정전압특성 : 전압 변화 → filament 온도 변화 → 전류, 수명, 광속, 효율 변화

수명 : , 광속 :

참고 : 에서 (전압의 변화량), (특성의 변화량)라면

,

이항정리에서 ≪ 인 경우

⋯

≒

이므로

∙

, ∴ ××

ex) 에서 인 전구를 에서 점등했을 때 광속은? , 또는

××

××

∴

수명 : filament 단선 때까지의 점등시간 → maximum 1000h효율과 수명은 반비례 (7승정도)

전구의 시험 : KS 100V 일반조명용구조시험 : 50%, 유리구 홈, 정격구조초특성 시험 : 90%, 소비전력, 광속, 효율동정특성 시험 : 과전압으로 실시 → 수명

이후 실험수명 시험 : 과전압으로 실시, 15% 불량base 접착강도 시험 : 비틀림 …


(3) 전구의 종류와 용도

(a) 일반 조명용 : 6～12% 효율(b) 주광(晝光) 전구 : 淸色 유리구 (산화 코발트, 산화동) → 빨간색 30～40% 흡수 →

주광에 가깝게(c) 투광기용 : 포물면경으로 초점 집중, 반사경 내장형(d) 자동차용 : 진행용 (下향), 교차용 (上향)(e) 적외선 전구 : 가열, 건조 등에 이용, 2400 ～ 2500 , 조명용 보다 약간 저온(f) 할로겐 전구(cyclic 전구) → 요오드 전구

저온() → 관벽의 승화된 결합 : 투명고온() : 필라멘트 부근 → 를 filament에 돌려 줌

(g) 영사용 (적은 유리구에 큰 filament)(h) 섬광전구 : filament + + 산소, filament + 점화 → + 산소(빛으로 산화)


1-2-4. 방전등의 기초

(1) Luminescence - 온도 복사 이외의 발광, 냉광(cold light)인광(phosphorescence) : 자극이 그친 후에도 어느 정도 발광형광(fluorescence) : 자극이 작용할 때만 발광

(a) 전기 luminescence - 기체나 금속 증기 내의 방전에 따른 발광, 대전입자 상호간에 원자, 분자 등 충돌, 네온관, 수은등 …

(b)복사 luminescence - 화합물에 짧은 파장의 자극 → 긴 파장의 가시광선 발광(stoke's law), 형광등

(c) 열(d) 음극선 - brown관, oscilloscope(e) pyro, chemi, bio, 결정, 마찰 …

(2) 방전등에 대한 법칙 파셴(Paschen)의 법칙 : 기동 전압은 기체의 압력이 높을수록, 전극간격이 길수

록 높다. 페닝(Penning) 효과 : 불활성 기체를 약간 섞으면 방전 개시 전압이 낮아진다.

(3) 방전등 : glow 방전(저전류, 저전압) → 대전류 → arc 방전 arc등 고압, 초고압 수은등 - 양광주 나트륨등 - 양광주 네온 arc등 - 양광주 탄소 arc등 - 전극글로우 방전등 네온관등 - 양광주 네온전구 - 음극 글로우 저압수은등 - 양광주 HID등(High Intensity Discharge Lamp : 고휘도 방전등) : 고압 및 초고압 수은

등, 메탈 할라이드등, 고압 나트륨등, 고압 크세논등

(4) 안정기 전류증가 → 전압 증가 : 정특성(금속) 전류증가 → 전압 감소 : 특성(기체의 방전) 방전등 - 정전압 전원 → 전류 무한 증가 → 방전등 파괴 → 저항 직렬접속 → 전류

증가를 저항에서의 전압 강하로 흡수 전류의 안정을 위한 저항 ballast resistance 변압기 - 누설 리액턴스를 크게 - 단자 전압 강하


탄소 아크등 순탄소 arc등 - 직류 이용, 양극 쪽의 화구(crater)에서 85% 정도의 빛이 나옴, 20

이하, 교류는 극이 바뀜 발염 아크등 - 전극 속에 (Strontium, Cerium, Titanium)등을 섞어서

Pyro luminescence이용 고휘도 arc등(beck arc lamp) : , 의 심을 극에 넣음. 탐조등


방전등

1. 수은등 (mercury lamp) : 수은 증기 중의 방전 이용, 미량의 을 혼합하여 기동을 쉽게 하도록 함(Penning 효과)

(1) 고압 수은등 : 100～760, 가시광선 다량 복사, 이중관의 외관에 전도에 의한 온도 강하를 막기 위해 질소 봉입, 발광관은 일정 압력 유지를 위해 400℃ 정도 유지, 기동에 5～8분, 껐다가 바로 기동하려면 7～10분 소요됨. 선 spectrum으로 광색 나쁨

(2) 초고압 수은등 : 10～200기압, 고압수은등에 비해서 연색성이 많이 개선됨, spectrum 확인할 것, 자외선 투과 유리구를 사용하여 지하실 등에서 태양으로 대용하기도 함.

(3) 저압 수은등 : ～, 글로우 방전 살균등 : 0.01[], 입력전력의 60% 정도가 2537Å 자외선으로 바뀜. 저압수은등 : 0.25[], 효율이 낮아서 조명등으로는 부적함, Stroboscope 등으로

활용. 형광등의 기본이 됨.


방전등

2. 나트륨등(1) 저압 나트륨등 : × 정도, 이중관, 봉입, 대부분의 에너지가 D선

(～Å)에 집중되어 나옴. 연색성 나쁨 이론 효율 : 비시감도 76%, 효율 76%라면 ×× , 실제

～ (2) 고압 나트륨등 : ～ , 연색성 개선

3. Metal - Halide lamp : 수은등에 금속할로겐 화합물(나트륨()-탈륨()-인듐(), 스칸듐()-나트륨-토륨(), 디스프로슘()-탈륨-인듐, 주석() 화합물 등에 요오드()) 혼합 → 고압 수은등의 연색성 개선, 효율증가

4. Xenon 방전등 : ～기압, 천연 주광과 비슷한 연속 Spectrum5. Zirconium 방전등 : 점광원6. EL등(Electro luminescent lamp) : 면광원 용으로 개발 중


Glow 방전등(1) 네온 관등(neon tube) : 양광주, 당 누설 변압기, 전류 이하로 제한,

NEON Sign(2) Neon Lamp : 음극 근처의 부(負) glow이용, 소비전력이 작으므로 배전반 등의 표시

등, 음극만 빛남(직류 극성 판별용), 일정 전압에서 점화(검전기), 빛의 점멸성 양호(stroboscope)


* 형광등(fluorescent lamp) : 저압 수은등을 응용 Å 자외선 → 형광물질(광색 다양) → Stoke's law → 가시광선 형광물질 : 텅스텐산 칼슘, 텅스텐산 마그네슘. 붕산카드뮴(핑크) 등 주광색(D : daylight), 백색(W : white), 핑크(P), 온백색(Warm White) 등 효율 : 백열등 3배 정도 수명 : 전광속의 80%로 되는 시간, 보통 3500～7000 시간 전압특성 : 저전압에서는 기동시간이 길어져 전극 손실, 고전압에서는 filament가 고온으

로 되면서 수명 단축 주파수 변화 : (증가) 리액턴스 증가 : 전류 감소, 광속 저하 (감소) 리액턴스 감소, 전류 증가, 수명 감소 온도특성 : 주위온도 ～℃ , 관온도 ～℃일 때 효율 좋음 온도변화 → 수은 압력 변화 → 나쁨 형광등의 흑화(blackening) : 나쁜 안정기, 기동 전류 과대, 광속 감소 flicker : +, - 교류 극성의 영점 때문에 빛의 명멸이 발생. 보통은 큰 지장 없고 2 등

짜리 한 쪽에 콘덴서 부착 위상 빠르게 → flickerless 형광등 플리커 평균광도

최고광도평균광도×


1

2

S2

S1

Q2

Q1

QC

P

그림 16 역률개선용 전력삼각형

형광등

IL[A]

+V

-

형광등

I[A]

+V

-

IC[A]

][21

fCj

(a)개선전 (b)개선후1cos 2cos

그림 18 역률 개선용 병렬 콘덴서

역률개선 : 백열전구 , 형광등 ～(안정기 때문)

구하기 : →

→

∴

진상용 병렬 콘덴서의 용량 구하기

,

∴

의 역률을 로 개선하는데 필요한 콘덴서의 용량[]은? 형광등인 경우 안정기의 소비전력이 정도 되므로 전체 소비전력은 , 전류는 이므로 개선 전 형광등의 역률은

×

≒ 이고 개선 후의 역률은 이므로

∴××

≒


SI TI

Sd Td

그림 19 광도 측정의 원리

* 측광 및 배광

5.1 표준 원기(1차 표준기)를 통한 의 정의 : 백금의 응고점(2042)에 있는 편평한 흑체 표면 1[]에서 수직으로 나오는 광도의 1/60

상용 표준 전구 : 표준 원기 사용이 불편하므로 텅스텐 전구를 사용

, ∴


1I

1I

2I2I

4I4I3I

3I

5I 5I6I

6I7I

7I

8I

8I

II

][

][cd

그림 21 원통광원

II

][

][cd

IIII

IIII

I II

II

II

I

I

II

I

그림 20 점(구형)광원

1I1I2I

2I

4I4I

3I

3I

I

][

][cdI

그림 22 원판광원

5.5 배광의 기초

1. 입체각과 평면각

배광 곡선 : 광원의 중심을 지나는 평면상의 광도 분포를 나타내는 극좌표 곡선 (Distribution Curve of Light), 수직 배광 곡선, 수평 배광 곡선

배광 입체 루소 선도(Rousseau Diagram) : 배광곡선을 이용한 발산광속 계산에 사용

⋅, 단 여기서 S는 루소 선도의 면적

◉ 점(구형)광원 : , ∴

×

◉ 원판광원 : , ∴

×

◉ 원통광원 : , ∴

×


p

hE

dI

A

O

x

PvE

h dz

z

r

그림 24 가까이 있는 선 광원에 의한 조도

nI

I

배광곡선

원통광원

그림 23 선광원에서 구하기

* 조명계산

1. 점광원에 의한 직사조도 및 확산조도(반사나 투과)(1) 1 개

(2) 여러 개 → 덧셈

2. 선광원 : 형광등, Neon-sign, 굵기 무시, 직선형 광원휘도 , ×

, ,단위 길이당 광도

≡

(1) 완전 확산 선광원

,

∴


zp

hE

dI

A d

ad

Oa

P

그림 25 원환 광원

(2) 원환광원

단위길이당 , ,∴

∴

결과적으로 × 이 됨.


ddSo

eS

edS

eBdS

dI

r

oS

SP

dS

1

edS cosedS

r

ddSo

dS P

1

(a) (b)

그림 26 입체각 투사의 법칙

3. 면광원에 의한 직사 조도

(1) 면광원 : 보통 완전 확산면이라 가정하고 적용. , , ′ , 광속발산도가 이면

완전확산면에서 휘도′

, ∴

(2) 완전 확산 면광원에 의한 직사 조도(입체각 투사의 법칙, 단위구의 법칙)

,

∴

,

∴

․


P

eS

oS

a

S

p

1

x

1

그림 27 원판광원

a

r

eS

S P

x

1

그림 28 구형 광원

(3) 원판광원반지름 , 휘도

,∴

,

,

∴ ,

, ∴

(4) 구형광원

,∴

, ,

∴ ․ , ×


E

fE

cfE

cfE 2

22cfE

23cfE

33cfE

34cfE

천정

바닥

그림 29 상호반사에 의한 조도의 증가

4. 상호 반사에 의한 조도의 증가 → 반사에 의한 조도의 증가

바닥면의 직사 조도가 일 경우 바닥의 반사율, 천정의 반사율을 각각 라면(1) 평행평면바닥면의 조도

천장면의 조도 ⋯ ⋯


1-6. 옥내 조명 설계 - 수치계산 - 생리, 심리, 심미 ․조도, 휘도 분포, 눈부심, 그늘, 분광 분포, 기분, 조명 기구의 위치와 의장, 경제...

1-6-2. 조명 방식1-4-4. 조명 기구의 종류 : 직접, 반직접, 전반 확산, 반간접, 간접(1) 직접 조명 → 발산 광속의 ～를 작업면에 직접 조명, 높은 조도, 고효율(전력

소모 小), 휘도 차, 눈부심, 그림자, 설계 간단, 청소 용이, 경제성(2) 반직접 조명 → ～ 아래, ～ 천장에 윗벽의 반사 이용(3) 전반 확산 조명 → 직․간접 조명 작업장이 조도를 균일 ≠ 국부조명(4) 반간접조명 : ～ 위, ～ 아래(5) 간접조명 : ～ 천장 벽의 반사 이용, 눈부심 없음, 그림자 없음.(1) 기구의 의장 : 단등식, 다등식, 연속열, 평면식...(2) 가구의 배광 : 직접, 반직접, 전반확산, 간접, 반간접

(3) 가구의 배치전반 조명 - 균일 조도국부 조명 - 특정 장소만 조명


1-6-3. 전반 조명 설계 → 광속법 (lumen method) 추점법 (point by point method) : 역자승의 법칙(1) 광원의 선택 - 광색, 밝음, 보수유지, 수명, 경제(2) 조명 기구의 선택 : 작업장의 특색, 직사․반사 눈부심, 효율 유지관리(3) 조명 기구의 간격 빛 배치

광원 간격 , 광원 ↔ 작업면 높이 ≤ 등과 벽사이의 간격 (4) 필요한 조도의 결정 : 사무실, 학교, 주택, 병원, 상점, 기타 등에 대한 추천 조도표,(5) 방지수(room-index) : 빛의 이용에 관한 지수

: 높이, : 가로, : 세로

(6) 조명률의 결정(coefficient of Utilization)조명률 광원의 전광속

작업면의 광속등의 가설 간격, 등기의 종류, 감광보상률, 실지수, 반사율을 고려한 조명률 표

(7) 감광 보상률(depreciation factor) : 유지율(maintenance factor) 수명에 다른 광속의 감소를 보상하기 위하여 설계시

(8) 광원의 크기 계산광원의 개수 , 조도 , 광원 개의 광속 F[lm], 면적 ,조명률 , 감광보상률

′ , , ∴


ex) × 일반 사무실, , 마다 기둥(), 반사율 천장 및 벽 , 바닥 , ≒ ,

× ⇒형 방

조명률 , 감광보상률

×××

≤ × ≤

→, ′ ×× ,

도로조명 : 에서 항상 ex) ×

××××

→, →

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