1、第 1 页 共 15 页足 球 场 照 明 及 电 气 控 制 设 计摘要通过介绍足球场照明及电气控制的设计，分析照明设计标准的选择与照明参数的计算，阐明照明质量标准及电气控制设计中应注意的一些问题.根据论文所提示的信息这样建设这样一个足球场,应该可以达到世界一流足球场的水准,让世界上的足球运动员在更好的环境中比赛,发挥出更好的水平,让每一场足球比赛都很精彩,精彩的比赛在这个足球场里的观众,让他们的的视觉效果更好,也可以满足彩电转播的照明要求，尽可能提高转播质量。关键词：光源选择，足球场照明设计标准，SDK-2 型石英电力定时控制器，节能控制电路，555 定时器，足球场照明控制电路。1 绪论随
2、着北京奥运会的临近，足球场的运用也即将投入使用，为了能让中国的足球场更好的在奥运会中使用，我特意设计了一个完美的足球场建设，让中国的足球场开始进入国际化建设，以体现中国现代化建设的象征，使外国运动员以及各国观众感受到先进足球场氛围，体现出中国的发展已经与世界在同一水平面上。良好的足球场照明环境的实现，主要取决于正确地确定照明设计方案，同时依赖于使用性以面优异的照明设备的选取及照明电气控制系统。这里所谈的仅是一些粗浅的认识，有待于在今后的照明设计中深入探讨，摸索出其内在的规律，使之进一步理论化、系统化，从而更有利于指导实践工作。图 1-1 足球场外部照明对于一座现代化的足球场，不但要求建筑外形美
3、观大方、各种体育设备齐全完善，而且要求有良好的照明环境，即要求有合适、均匀的照度和亮度、理想的光色，有立体感及无眩光等。除保第 2 页 共 15 页常 州 工 学 院 毕 业 设 计 论 文证满足观众良好的视看效果外，还必须保证裁判员、运动员和比赛项目所需的照明要求以及应保证有良好的电视转播效果。照明是依靠光线的功能，保证灯光作用于运动员、裁判员、观众的眼睛、产生视觉，才能看见足球场地上的一切，如场地环境的明暗、物体 建筑、器具及服装等 表面的颜色、观看目标的形状和大小、深度、立体感及运动员运动时的状态和足球场的气氛等等。所以，良好的照明在现代足球场中占有重要地位。一般，在一个足球场的照明设计
4、中，应考虑以下三方面的因素：1 满足运动比赛时运动员的视觉要求，并且使灯光对比赛的客观影响降到最低程度。2 满足观众的视觉要求，使灯光对观看比赛时所引起的不适感觉降低到最低程度。3 满足彩电转播的照明要求，尽可能提高转播质量。总之，照明与运动项目的比赛要求密切相关，与观众视看效果密切相关，没有良好照明设施的足球场是不完整的体育场，必将严重影响它的使用功能。图 1-2 足球场俯视照明2 光源选择建筑照明的电光源按发光原理分为两种基本类型：一类是热辐射光源，如白炽灯、卤钨灯；另一类是气体放电光源，如荧光灯、高压汞灯、金属卤化物灯等。热辐射光源显色性好，但光效低、寿命短；气体放电光源光效高、寿命长，
5、但显色性差。体育比赛场地照明的质量是评价体育场的主要指标之一，第 3 页 共 15 页足 球 场 照 明 及 电 气 控 制 设 计所以光源选择尤为重要，要求光效高、显色性好、色温舒适、寿命长。因此在设计前，笔者收集了有关体育场地照明设计中一些成功经验和教训的资料，认为体育场宜采用混光照明方式。随着高强气体放电灯迅速发展，照明光源几经换代，先后出现了高压汞灯、高压钠灯、显色改进型高压钠灯、金属卤化物灯。尽管这些光源各具特色，但仍不能满足工程设计的广泛需要，因此出现了混光照明技术。混光照明方式有两种：一种为场所内混光，另一种为灯具内混光。灯具内混光又包括双灯混光和单灯混光。单灯混光照明就是将两种
6、光源的管芯组装于同一玻壳内，使两种不同光源发出的光在玻壳内进行充分的混合，成为一种新型混光光源，配以合理的灯具，达到更佳的照明效果。单灯混光不是简单的组合，而是根据光源的发展趋势，借鉴国外先进技术，在双灯混光照明的基础上发展起来的。双灯混光照明已广泛用于各种场所，并取得了较好效果，但在使用中还存在着许多的缺点：（1）两种光源混光不均匀；（2）两种光源要分别接入镇流器触发器，安装接线复杂；（3）两种光源平均寿命不同，当一种光源损坏时而另外一种光源还在运行，若维护、更换不及时，就会使显色指数、光效都降低，达不到真正的目的。单灯混光照明恰恰能克服和弥补以上的不足。单灯混光按其配光形状进行分类的方法有
7、两种，一种是按灯具在上下二个半球空间中所占的光通量的百分比值分类的国际照明委员会（IEC）系统分类法分为：直接型、半直接型、扩散型、半间接型、间接型；另一种按灯具安装距高比的数值进行分类：特狭照型、狭照型、中照型、广照型、特广照型。为了适应各种不同形状的光源和受照面的照明需要，由反射器来实现控光和调整光强分布。混光灯具反射器的形状多种多样，通常有旋转对称反射器、柱面反射器、不对称反射器、组合式反射器。混光的主要目的与效果：（1）提高发光效率，获得高照度；（2）改善光色和显色性，造成良好的照明效果和气氛，有利于电视摄像；（3）降低设备费用；（4）减少电耗，节省电能，降低电费。足球场混光照明尤以采
8、用镝灯与高显色性高压钠灯（DDGNGG ）混光光源为最多。这种混光光源光效高、寿命适中、显色指数大于 80，红色光谱所占的成份提高到 20以上，颜色还原性好，照明的视觉效果极佳，满足了重要足球比赛及彩色电视转播要求；而且还可节省设备投资，节约能源和降低运行费用。3 足球场照明设计标准为了得到良好的照明设计方案，合理利用光线的分布来满足运动员、观众、裁判员视觉以及良好的电视转播效果的要求，必需先确定照明标准，包括照度标准和照明质量标准。照明质量标准，其中包括眩光、光源色温有显色性要求，光的方向性、节能要求等。3.1 照度标准 根据民用建筑照明设计标准GBJ13390 中第 2.2.91 条中规定
9、：足球场比赛照度标准值：当观看距离为 120m 时，为 150200300lx；观看距离为 160m 时，为 200300500lx；观看距离为 200m 时，为 300500750lx.观看距离指观众席最后一排到场地边线的距离。第 4 页 共 15 页常 州 工 学 院 毕 业 设 计 论 文根据民用建筑照明设计标准GBJ13390 中第 2.2.92 条中规定：电视转播需要的垂直照度：最大拍摄距离分为三组，对于足球项目而言，最在拍摄距离为 25m 时平垂直照度应为750lx；最大拍摄距离为 75m 时平均垂直照度应为 1000lx；最大拍摄距离为 150m 时平均垂直照度为 1500lx；
10、对于田径项目而言，最大拍摄距离为 25m 时平均垂直照度应为 500lx；最大拍摄距离为 75m 平均垂直照度应为 750lx；最大拍摄距离为 150m 时平均垂直照度为 1000lx.上述每个垂直照度用于一个给定的运动等级和给定的最在拍摄距离相对于 1.0m 垂直面的值，各照度值的中间值用于其它拍摄距离。上述照度指体育场的最终平均照度，设计时选取的初始照度必须计入维护系数，一般可采用0.70.8 的数值。水平照度的均匀度：照度均匀度一般用最小照度与最大照度之比表示，也可用最小照度与平均照度之比表示，最小照度与最大照度的比值应大于 0.5.垂直照度的均匀度：最小照度与最大照度的比值应大于 0.
11、4，才能满足主电视摄像的要求。3.2 照明质量标准3.2.1 眩光足球场照明的关键除提供足够的水平和垂直照度以外，还需要减少眩光，从而达到亮而无眩光的效果。眩光是影响照明质量的最重要因素之一。根据 CIE NO.83 出版物“彩电系统的足球场地照明”，场内最大眩光指数 GRmax 应小于 50.眩光额定值GR 愈小，眩光限制愈好，眩光额定值为 50 时。眩光额定值 GR 由下列公式算出：GR=2724Lg 式中，Lvl 是灯具产生的光幕亮度，Lve 是环境产生的光幕亮度。一般在计算照度时，应计算不同方向的眩光额定值 GR，在 GR50 时，即可行。眩光的限制除了合理确定灯具的选型，安装高度和排
12、列方式外，还可以采取提高赛场背景照度的方法。3.2.2 光源色温及显色性要求为达到良好的彩电转播效果，体育场的照明质量不但与照度有关，而且与照明光源的色温及显色性有紧密关系。我国民用建筑照明设计标准GBJ13390 中第 3.3.2 条中规定：彩电转播用一般光源显色指数 Ra 不应小于 65.依据 CIE NO.83 号出版物及国际足联的要求，光源相关色温 Tc大于 5000K 和光源显色指数 Ra 大于等于 80，以达到最佳的现场照明效果及彩电转播效果。3.2.3 光的方向性灯具的俯角不仅影响垂直照度，同时也对运动员、观众和裁判有可能产生较大眩光影响。对足球场照明设计，应选择好灯具的瞄准方向
13、。另外，主摄像机与另一侧过来的光线之比例应控制在一定范围内，而照明的最重点是在足球场的中央及禁区设置。4 节能电路4.1 节能要求第 5 页 共 15 页足 球 场 照 明 及 电 气 控 制 设 计照明节能重在采用合理的照明方案和高效的照明装置，降低线路损耗及良好的照明控制。体育建筑属照明用电较大的建筑项目，从节能意义上讲，仅比较初始投资费用，而不以最低运行成本为基础选择得出的照明设计不是合理的设计，应根据具体情况，将初始投资及运行成本综合加以考虑。应选择高效率的光源和灯具，采用能耗较低的镇流器等附件，并加补偿电容，提高系统的功率因数。照明设计应有多种开灯模式及对应的控制方案。可以通过调节灯
14、具数量，为不同需要的比赛和活动提供合适的照明，控制方案要简单、实用，并具有较强的灵活性。4.2 SDK-2 型石英电力定时控制器的介绍4.2.1 结构与工作原理本产品由石英开关和 DZ-6 继电器两部分组成，石英钟开关由石英振子产生 4.19 兆赫的稳定振频，经分频放大原形，以每秒一个脉冲推动微型步进电机，传动机械计时系统，使时轮盘顺时针方向转动，时轮盘装有定时调节器，可根据所需开关时间进行调整，它与六角凸轮、双开关触点簧片组成定时开关装置,装入电池后, 红色秒针跳动,开始计时。第 6 页 共 15 页常 州 工 学 院 毕 业 设 计 论 文图 4-2-1 SDK-2 型石英电力定时控制器4
15、.2.2 主要技术指标1 走时精度 1 秒/日2 时控精度 5 分3 最小开关时段 1.5 小时,最长开关时段 24 小时4 使用环境温度 -20 - + 505 触头额定电压 交流 100V、220V、380V第 7 页 共 15 页足 球 场 照 明 及 电 气 控 制 设 计6 触头额定电流 (阴性)交流 100V 7.5A、220V 5A、380V2A7 石英钟电源 直流 1.5V(浮充整流直供三种结构)4.2.3 SDK-2 微电脑电力时控开关主要技术指标1 走时精度 0.5s/日(231)2 时段误差 1s/次3 时段控制编程 最小 1 分钟,最长 168 小时4 走时停电功耗 5
16、VA5 使用极限工作温度 -40至+506 使用环境相对湿度 不高于 85%7 电脑芯片工作电压 DC1.5V 继电器 DC12V8 开关交流电压、电流 220V 15A、20A4.2.4 用途本产品能直接或经外接交流接触器自动定时切换单相、三相电路.以作用户的避峰让电,电器电机用电时间自动控制及电管部门自动定时强制通断电路等用,联接单相或三相电度表后,可对线路实行高峰与低谷期用电量的计量考核,结合经济手段,达到均衡用电和提高负荷率的目的。SDK-2 型石英电力定时控制器是用于高压水银夜间的照明电路，可以节约电能 20%左右。它的节能原理是于晚上 7 点以后把水银灯的亮度降至原来的 70%左右
17、，晚上这个亮度已经足够。4.3 节能控制电路如图 4-3-1， K1 是 SDK-2 型石英电力定时控制器的常开触点。 K2 是 SDK-2 型石英电力定时控制器中轴上换向开关的常闭触点。K1 闭合时，变压器 T 的次级经整流过滤后，由 K2、R2 、D2向 C2 充电，使晶体三极管 V1、V2 饱和导通。由于 V2 饱和导通，流经 SCR 控制极的电流足够大, 使SCR 导通角最大，高压水银在全压(220V)下工作，晚上天黑后，换向开关 K2 断开。这时，V1、V2 由 C2 放电维持导通. 约经十多分钟 C2 放电完毕， V2 截止，此后，SCR 只由 R5 和 C3 的移相电路维持触发导
18、通。调整 R6 或 C3 使水银灯在适当亮度工作。本图 SCR 两端压降为 40V。元件选择，V1 选择值大于 100 的晶体三极管，晶体管 V2 在 500V 时穿透电流应非常小。此时，本图选用日产 2SC1942.SCR 应根据实际负载电流的 2 倍值以上选用，耐压应大于 500V。第 8 页 共 15 页常 州 工 学 院 毕 业 设 计 论 文图 4-3-1 节能控制电路5 足球场照明供电设计足球场的照明供电，一般由低压配电室引来两路电源供给，互为备用，手动与自动投切，平时两路电源各带 50左右的负荷，且均匀分布，以便任何一路断电，熄灭了的灯光尚未点燃时，场地内仍能保持均匀的照度分布，
19、使一般性比赛仍可进行。另外，由于气体放电灯的启动时间约为48min，再启动时间约为 1015min，因此，即使采用两种电源自投，也无法使熄灭了的灯光立即点燃，故对有人值班的控制室，可采用两种电源手动互投的切换方式。对无人值班的控制室则应采用两路电源自投不自复的切换方式，保证比赛的正常进行，延长光源的使用寿命。此种供电方式可不再另外考虑场地的应急照明，而且当电源转换时仍能基本保证比赛的正常进行。配电系统设计相对较为复杂，造价亦相应较高。采用四塔式照明时，将电源柜放在灯塔底部内侧，电源线沿灯塔内壁敷设，灯具的镇流器箱放在塔的顶部，这种配电方式较为合理。采用光带式照明时，将电源直接送到挑棚马道上的配
20、电柜台，配电的分支线路可以采用沿马道旋转的金属线槽敷设方式。比赛灯的开关，主要靠交流接触器或无触点的晶闸管可控硅 实现。用交流接触器控制，简单可靠，也较经济；用晶闸管控制，技术先进，但价格较贵。为了便于维护和灯光方案的变化，宜采用单灯单控，也可一个开关控制 23 个灯，以不超过 3 个灯为宜。气体放电灯点燃时，冲击电流很大，开启灯光时，单灯宜间隔 0.5s；组控时，宜间隔 1030s.另外，气体放电灯的频闪效应对照明质量的影响很大。由交流电源供电的气体放电灯有二倍于电第 9 页 共 15 页足 球 场 照 明 及 电 气 控 制 设 计源频率的周期性频闪。频闪会使迅速运动的物体，出现幻影，这种
21、效应对于摄像，尤其是慢动作摄像影响很大，放映时，会显示出一种令人难以忍受的闪动，频闪还会造成视觉疲劳。通常用光通量的波动深度 Fbd 来衡量。Fbd=Fmax Fmin/2Fav100式中：Fmax光通量的最大值；Fmin光通量的最小值；Fav光通量的平均值。只要将波动深动降至 25以下，人的视觉对频闪将不产生疲劳效应。这可通过改变配电方式来实现。例如：将相邻的气体放电灯接在不同相位的电源上；在方案设计时，还可考虑氢不同相位的气体放电灯所发出的光通量相到重叠等。总之，在大量使用气体放电灯的体育场照明设计中必须考虑频闪对照明质量的影响。6 足球场照明控制电路61 555 定时器的应用6.1.1
22、单稳态触发器555 定时器构成单稳态触发器如图 6-1-1 所示，该电路的触发信号在 2 脚输入，R 是外接定时电路。单稳态电路的工作波形如图 6-1-2 所示。在未加入触发信号时，因 ui=H，所以 uo=L。当加入触发信号时， ui=L，所以 uo=H，7 脚内部的放电管关断，电源经电阻 R 向电容 C 充电， uC按指数规律上升。当 uC上升到 2VCC/3 时，相当输入是高电平，555 定时器的输出 uo=L。同时 7 脚内部的放电管饱和导通是时，电阻很小，电容 C 经放电管迅速放电。从加入触发信号开始，到电容上的电压充到 2VCC/3 为止，单稳态触发器完成了一个工作周期。输出脉冲高
23、电平的宽度称为暂稳态时间，用 tW表示。 图 6-1-1 单稳态触发器电路图 图 6-1-2 单稳态触发器的波形图 6.1.2 暂稳态时间的求取：暂稳态时间的求取可以通过过渡过程公式，根据图 2 可以用电容器 C 上的电压曲线确定三要素，第 10 页 共 15 页常 州 工 学 院 毕 业 设 计 论 文初始值为 uc(0)=0V，无穷大值 uc()= VCC，= RC，设暂稳态的时间为 tw，当 t= tw时， uc(tw)=2 VCC/3 时。代入过渡过程公式 6.1.3 几点需要注意的问题：这里有三点需要注意，一是触发输入信号的逻辑电平，在无触发时是高电平，必须大于 2 VCC/3，低电平必须小于 VCC/3，否则触发无效。 二是触发信号的低电平宽度要窄，其低电平的宽度应小于单稳暂稳的时间。否则当暂稳时间结束时，触发信号依然存在，输出与输入反相。此时单稳态触发器成为一个反相器。 三是 R 的取值不能太小，若 R 太小，当放电管导通时，灌入放电管的电流太大，会损坏放电管。图 6-1-3 是 555 定时器单稳态触发器的示波器波形图，从图中可以看出触发脉冲的低电平和高电平的位置，波形图右侧的一个小箭头为 0 电位。 图 6-1-3 555 定时器单稳态触发器的示波器波形图 6.2 控制电路
