1.1 빛에 관한 기초사항 -...
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1
555m3800Ao
7600Ao
그림 6 비시감도 곡선
1.1 빛에 관한 기초사항 빛 : 입자설과 파동설(Maxwell, Plank, Einstein, Kirchhoff 등) 인공 빛 → 자연 주광(晝光 : daylight, 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 복사 energy 분광복사속 : 단위 파장내의 복사속 분광복사곡선 : 광원이 방출하는 파장별 세기의 분포
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 : 황록색 555[nm](발광효율 : 680)
비시감도 곡선
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r
r
dd
r sin
2r sin
r d
l
그림 7 구띠의 입체각
r
d
그림 8 원뿔의 입체각
1.2 입체각과 광도 호도법 :
(radian)
입체각 : (steradian)
구의입체각
원뿔의 입체각
∴ ,
×
∴
∴
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광도 , Luminous Intensity
- 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, candela
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I[cd]
r
그림 9 구면의 조도
1.3 조도, 휘도, 광속발산도 및 통합식[1] 조도(illuminance) ; 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 직사 조도 E
: 역자승의 법칙
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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
×
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dA dA'=dA cos
I
그림 12 휘도와 투영 면적
[2] 휘도(Luminance) : 눈부심(brightness), 겉보기 면적(점광원(구) → 원, 형광등 → 직사각형), 투영면적
′ , ′
(A'=겉보기 면적)
, nit
, stilb → 더 많이 씀,
전구, frost전구 휘도차
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FF
F
F
그림 13 반사율, 흡수율 및 투과율의 관계
[3] 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 면, 푸른 하늘휘도 , 광속발산도 → 푸른 하늘, 뿌옇게 칠한 회백색 벽
* 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 ,
, , ∴
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[4] 발광 효율(luminous efficiency) : 광원의 복사속 → 광속 ∴
최대 시감도 555 → 680 2200 , 30 백열전구 → 6
[5] 전등 효율(lamp efficiency)소비전력 → 광속 →
→ 복사속() + 전도 + 대류 + 손실 + … > , ∴
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1.4 발광 현상발광 온도복사 : 백열 전구 luminescence(냉광) : 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 각 파장에 대한 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 온도
복사온도
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(6) 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 …
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1.5 백열전구(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, (베이스의 지름이 )이 보통 사용되는 전구(c) anchor : 필라멘트 지지, 내열, 내진, 몰리브덴선(d) 도입선 : 외부도입선(구리),
봉착부도입선(유리와 팽창 계수 동일, dumet 선, 철, 니켈 합금선에 구리를 두껍게 피착시킴),
내부도입선 : 또는 또는 니켈도금한 철선(e) filament : 텅스텐, 융해점 高, 고유저항 적당히 클 것, 고온 승화성 小 → 흑화 小, 가
는 선으로 가공 가능직선형 → 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 ~기압100[V]용 : 아르곤 + 질소 정도200[V]용 : 아르곤
(g) getter : 진공 후 남아있는 수분, 산소 → filament 산화 → getter가 수분, 산소와 먼저 반응 → 수명 증가
이하(진공 전구) : (적린) 이상 : (질화바륨)
점등시 10배 정도 저항이 커짐조명용은 정도의 색온도, 필라멘트 실제 온도는 ℃정도전구 효율은 약
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(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 :
(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, 색온도 2400 ~ 2500 , 조명용 보다 약간 저온(f) 할로겐 전구(cyclic 전구) → 요오드 전구
저온() → 관벽의 승화된 결합 : 투명고온() : 필라멘트 부근 → 를 filament에 돌려 줌색온도 정도
(g) 영사용 (적은 유리구에 큰 filament)(h) 섬광전구 : filament + + 산소, filament + 점화 → + 산소(빛으로 산화)
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1.6 백열전구의 전압 특성전압특성 : 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 …
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참고 : 방전등의 기초(1) 방전등에 대한 법칙
파셴(Paschen)의 법칙 : 기동 전압은 기체의 압력이 높을수록, 전극간격이 길수록 높다.
페닝(Penning) 효과 : 불활성 기체를 약간 섞으면 방전 개시 전압이 낮아진다.
(2) 방전등 : glow 방전(저전류, 저전압) → 대전류 → arc 방전 arc등 고압, 초고압 수은등 - 양광주 나트륨등 - 양광주 네온 arc등 - 양광주 탄소 arc등(방전등 아님) - 전극글로우 방전등 네온관등 - 양광주 네온전구 - 부 글로우 저압수은등 - 양광주 HID등(High Intensity Discharge Lamp : 고휘도 방전등) : 고압 및 초고압 수은
등, 메탈 할라이드등, 고압 나트륨등, 고압 크세논등
(3) 안정기 전류증가 → 전압 증가 : 정특성(금속) 전류증가 → 전압 감소 : 부(負)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 - choke coil AC에서 2차측에 방전등을 연결할 경우 : 누설 리액턴스를 크게 만든 변압기 - 단자
전압 강하
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1.7 형광등* 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 평균광도최고광도평균광도
×
-
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1
2
S2
S1
Q2
Q1
QC
P
그림 15 역률개선용 전력삼각형
형광등
IL[A]
+V
-
형광등
I[A]
+V
-
IC[A]
][21
fCj
(a)개선전 (b)개선후1cos 2cos
그림 17 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
∴××
≒
-
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1.8 수은등 ; 방전등1. 수은등 (mercury lamp) : 수은 증기 중의 방전 이용, 미량의 을 혼합하여 기동을 쉽
게 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.
1.9 네온 방전등 ; 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 표시등, 음극만 빛남(직류 극성 판별용), 일정 전압에서 점화(검전기), 빛의 점멸성 양호(stroboscope)
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1.10 나트륨 방전등(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
1.11 기타 방전등
(1) 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
(2) Xenon 방전등 : ~기압, 천연 주광과 비슷한 연속 Spectrum
(3) Zirconium 방전등 : 점광원
(4) EL등(Electro luminescent lamp) : 면광원 용으로 개발 중
(5) 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
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SI TI
Sd Td
그림 19 광도 측정의 원리
1.12 측광(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
, ∴
-
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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
1.13 배광 곡선과 루소 선도 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 : , ∴
×
-
21/28 조명공학 전기시스템과왕 문 성
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
1.14 입체각 투사의 법칙 : 조명계산1. 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
,
∴
-
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zp
hE
dI
A d
ad
Oa
P
그림 25 원환 광원
(2) 원환광원
단위길이당 , ,∴
∴
결과적으로 × 이 됨.
-
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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)
,
∴
,
∴
․
-
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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
,∴
, ,
∴ ․ , ×
-
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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, 평행 평면인 경우
- 바닥면의 조도
- 천장면의 조도 ⋯ ⋯
-
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1.15 조명 설계 ; 옥내 조명 설계- 수치계산- 생리, 심리, 심미- 조도, 휘도 분포, 눈부심, 그늘, 분광 분포, 기분, 조명 기구의 위치와 의장, 경제...
- 조명 방식
1. 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
-
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2. 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 ≤ , ≤ (벽면의 반사 이용 시)(4) 필요한 조도의 결정 : 사무실, 학교, 주택, 병원, 상점, 기타 등에 대한 추천 조도표,(5) 실지수(room-index) : 방 모양에 따른 빛의 이용에 관한 지수
: 높이, : 가로, : 세로
∼ ∼ 형 방(6) 조명률의 결정(coefficient of Utilization)
조명률 광원의 전광속작업면의 광속
등의 가설 간격, 등기의 종류, 감광보상률, 실지수, 반사율을 고려한 조명률 표(7) 감광 보상률(depreciation factor) : 유지율(maintenance factor) 수명에 따른 광속의 감소를 보상하기 위하여 설계시
(8) 광원의 크기 계산광원의 개수 , 조도 , 광원 개의 광속 F[lm], 면적 ,조명률 , 감광보상률
′ , , ∴
-
28/28 조명공학 전기시스템과왕 문 성
ex) × 일반 사무실, , 마다 기둥(), 반사율 천장 및 벽 , 바닥 , ≒ ,
× ⇒형 방
조명률 , 감광보상률
×××
≤ × ≤
→, ′ ×× ,
도로조명 : 에서 항상 ex) ×
××××
→, →