eng
Светотехнические устройства – важные элементы большого числа технических систем, включающих дорожное, жилое, промышленное освещение, светотехнические системы транспортных средств. В статье рассмотрены оптические системы для светодиодов и проанализированы особенности применения вторичных оптических элементов в виде линз и отражателей для получения различных диаграмм направленности излучения светодиодов в пространстве. Сформулированы требования, предъявляемые к оптическим элементам. Рассмотрены особенности и проблемы расчета вторичных оптических систем.
Теги: diagrams of radiation directivity led secondary optical elements вторичная оптика диаграмма направленности излучения светодиоды
До недавнего времени основными используемыми источниками света являлись лампы накаливания. В настоящее время эволюция светотехнических устройств направлена на переход от ламп к светодиодам. Это связано с принятием договоренностей в странах Евросоюза, США и Канады на законодательный запрет использования неэффективных ламп накаливания. В ноябре 2009 года в России утвержден законопроект об энергосбережении и повышении энергетической эффективности, предполагающий полный отказ от ламп накаливания с 2014 года.
Светодиодная промышленность во всем мире стала в последние годы одним из самых быстро развивающихся секторов экономики. Каждые полгода параметры светодиодов (СД) и светотехнических устройств на их основе становятся на новый количественный уровень по световой отдаче, мощности излучения и световому потоку, цветовым характеристикам. По оценке компании Philips [1], ожидается снижение себестоимости СД и прогнозируется, что к 2020 году светодиодные источники света и световые приборы на их основе займут 75% светотехнического рынка.
Задачи и перспективы развития светодиодов
Светодиоды (рис.1) как источники света начали применяться в 60-х годах ХХ века. Принцип действия светодиодов как полупроводниковых приборов основан на преобразовании электрической энергии непосредственно в световое излучение. Механическая конструкция светодиода определяет распределение света в пространстве. Для обычного освещения интерес представляют только светодиоды, излучающие белый свет, ток питания которых более 100 мА, а световой поток – более 10 лм.
Основные свойства светодиодов, которые в ближайшем будущем сделют их самыми экономичными из всех источников света:
• высокая световая отдача (100–150 лм/Вт);
• малое энергопотребление (единицы ватт);
• высокие значения КПД световых приборов и коэффициентов использования светового потока в осветительных установках;
• малые габариты (возможность использования в точечных или плоских приборах);
• высокая долговечность (десятки тысяч часов);
• отсутствие пульсации светового потока;
• возможность получения излучения различного спектрального состава;
• возможность снижения коэффициента запаса осветительных установок благодаря стабильности характеристик и высокому сроку службы;
• возможность использования для освещения выцветающих объектов (произведений искусств, продукции полиграфии, текстильного производства);
• высокая устойчивость к внешним воздействиям (температуре, вибрации, ударам, влажности);
• электробезопасность и взрывобезопасность;
• возможность резкого уменьшения размера, материалоемкости и трудоемкости производства световых приборов;
• возможность создания необслуживаемых светильников;
• высокая степень управляемости (возможность построения систем многоуровневого управления освещением);
• высокая технологичность при массовом производстве;
• низкие затраты на упаковку и транспортировку.
Широкое применение светодиодов в системах подсветки, освещения и индикации делает актуальным расчет и проектирование светодиодных оптических систем, обладающих высокой световой эффектностью и широкими возможностями контроля энергетических характеристик излучения.
Использование светодиодов в системах освещения требует применения вторичной оптики, назначение которой – направлять излученный светодиодом световой поток в заданную область пространства и обеспечивать формирование в этой области требуемое распределение освещенности [2–4]. В последнее время стремительно нарастает заинтересованность ведущих мировых производителей и потребителей источников света в замене традиционных ламп накаливания и люминесцентных ламп дневного света светодиодными световыми приборами, основу которых составляют полупроводниковые светодиоды, объединенные в светодиодные модули (СДМ) (рис.2). Развитие в данном направлении затруднено в связи с отсутствием методов расчета светотехнических характеристик СДМ и систематизированной информации по световой эффективности СД, что также вызвано недостаточным прогрессом в международной стандартизации и наличием дефицита в специальном измерительном оборудовании. Поэтому актуальной является задача моделирования светотехнических характеристик СД и СДМ на стадии проектирования световых приборов (СП) [5].
В настоящее время можно выделить основные направления исследований и разработок светодиодов:
• уменьшение падения световой эффективности при больших плотностях тока;
• улучшение световой отдачи и цветовых характеристик белых СД;
• уменьшение теплового сопротивления и отвода тепла от СД;
• исследование восприятия светодиодного освещения человеческим зрением;
• автоматизация производства светодиодов и светодиодных ламп.
Вторичная оптика для светодиодов
Известно, что СП должны выполнять две основные светотехнические задачи: нужным образом перераспределять световой поток источника света и ограничивать его слепящее действие. СД – источники света, излучающие в одну полусферу, и это требует особого подхода к конструированию СП с СД.
Светодиод обладает косинусным светораспределением (кривая силы света (КСС) типа Д с углом раскрытия светового потока 120˚) (рис.3). КСС – график зависимости силы света светового потока от меридиональных и экваториальных углов, получаемый сечением его фотометрического тела плоскостью. Но для освещения помещений с высокими пролетами или улиц такое светораспределение не подходит. Для создания энергоэффективного освещения требуется специализированная оптика.
Вторичная оптика – линза или зеркальный отражатель из пластика, монтирующийся на один или группу светодиодов, представляет отдельный компонент, не являющийся частью светодиода. Использование вторичной оптики позволяет:
• изменять светораспределение СД, например, сосредоточить излучение в нужном угле или сделать его несимметричным;
• перенаправлять весь световой поток от светодиода в освещаемую область, повышая эффективность светотехнического устройства и понижая его стоимость;
• формировать требуемое распределение освещенности, соответствующее всем стандартам освещения.
Первым параметром, по которому осуществляется подбор вторичной оптики для решения той или иной задачи, является угол светового пучка, формируемый оптическим элементом. Чаще всего это значение является углом половинной яркости, который определяется как угол, при котором сила света в этом направлении падает на 50% от максимального значения (рис.4).
Сегодня большинство мощных СД по разным причинам производится лишь с одним-двумя вариантами светораспределения. Задача оптической системы, используемой в паре со светодиодом – как можно более рационально распределить световой поток в пространстве. Правильно подобранная оптика позволяет существенно увеличить плотность светового потока диода и более точно приспособить его работу для решаемой технической задачи.
Оптические системы можно разделить на два основных типа – линзовые и отражательные (рис.5). Все они создают различные диаграммы направленности излучения в пространстве. Наиболее распространенные диаграммы (рис.6):
• узкая диаграмма – угол эффективного излучения 5–20°;
• средняя диаграмма – угол эффективного излучения 20–50°;
• широкая диаграмма – угол эффективного излучения от 50°.
Линза полного внутреннего отражения (ПВО) – коллиматор (рис.7) – работает по следующей схеме. Большие углы от светодиода собираются боковыми сторонами линзы, представляющими собой отражатель полного внутреннего отражения. Малые углы собираются линзовидной поверхностью расположенной в ПВО. Практически весь свет от СД эффективно используется и не теряется. Одним из критериев, влияющих на эффективность оптики и, в частности, линзы, является соотношение между ее размером и излучающей поверхностью светодиода. На рис.8 приведена стандартная схема коллиматора. Часть 1 внутренней поверхности полости соответствует гиперболоиду вращения и обеспечивает коллимацию центральных лучей от источника. Лучи, преломлённые на боковой поверхности внутренней полости, испытывают полное внутреннее отражение на наружной параболической поверхности 2. За счёт использования ПВО эффективность коллиматора составляет около 90%.
Не последнюю роль в увеличении коэффициента пропускания играет материал, из которого изготовлена оптика. Он не должен мутнеть со временем и под действием окружающих факторов или излучения. В настоящее время линзы для СД изготавливаются в основном из полиметилметакрилата, оптического поликарбоната с коэффициентом пропускания 95–98% или кремнийорганических соединений (силикона) [6]. Компания LEDiL предлагает изготавливать линзы из полиметаметилакрилата, но покрывать их сверху тонким слоем силикона [7]. С одной стороны, это позволяет использовать уже отработанную технологию, подходящую для линз любой формы, с другой – линза с силиконовым покрытием получает многие полезные свойства, характерные для линз из цельного силикона. Это и высокая прочность, и возможность герметизации. Такие линзы могут работать без защитного плафона.
Популярность линз объясняется большим удобством и относительной простотой формирования требуемого светового пучка, так как управление излучением осуществляется тремя плоскостями: двумя преломляющими поверхностями на входе и выходе излучения и одной отражающей поверхностью линзы. Однако проектирование таких коллиматоров представляет достаточно сложный процесс. Кроме того, проблематичным оказывается их применение для больших СД.
Рефлекторы (рис.9) имеют лишь одну отражающую поверхность, задача которой – сформировать требующийся световой пучок. Чаще всего они применяются совместно со светодиодами, имеющими излучающую поверхность увеличенного размера, или с группой СД.
Немаловажной характеристикой оптики является ее эффективность, то есть способность трансформировать световой пучок СД с как можно меньшими потерями при его пространственном преобразовании. Важным параметром также является собирательная способность систем (отношение светового потока внутри угла эффективного излучения ко всему световому потоку, прошедшему через систему). У линзовых систем эффективность, как правило, меньше.
Отражательная оптика в СП со СД имеет несколько большие размеры, чем линзовая. Отражатели делаются или из алюминия с высоким коэффициентом отражения или из пластика с напылением зеркального слоя и защитой его от внешних воздействий.
Как вторичные линзы, так и вторичные отражатели требуют очень точного расположения относительно светящего тела. Поэтому обычно к ним прилагаются специальные фирменные держатели.
В настоящее время выпускается линзовая и отражательная вторичная оптика с широкими, полуширокими, косинусными, глубокими и концентрированными КСС [6]. Для уличных светильников с СД производятся линзы с асимметричным светораспределением (широким в поперечной плоскости и концентрированным боковым в продольной).
Проблемы расчета вторичной светодиодной оптики
Проектирование и производство современных оптических систем требует моделирования сложных физических явлений. Модели распространения света в светорассеивающих элементах являются частью систем оптического моделирования.
Расчет вторичной оптики светодиодов является одной из наиболее сложных задач, возникающих в светотехнике. Это связано с большим количеством требований, одновременно предъявляемым к таким оптическим элементам:
• обеспечение высокой световой эффективности;
• минимальное расстояние от светодиода до освещаемой области при максимальном угловом размере освещаемой области;
• высокая равномерность формируемого распределения освещенности.
Вторичная оптика рассчитывается под определенный тип светодиода и заданное светораспределение. С другими светодиодами она не будет обеспечивать требуемую ширину пучка. Кроме того, освещаемая область может быть неравномерной, и возможно появление дополнительных колец. Поэтому с появлением на рынке новых светодиодов возникает задача расчета и моделирования вторичной оптики, совместимой с ними.
На сегодняшний день предлагается несколько десятков универсальных пакетов программ для проектирования оптических систем различного назначения и ряд систем, предназначенных для проектирования специализированных систем [8].
Заключение
Использование светодиодов в системах освещения требует применения вторичной оптики – линзовой и отражательной, которая позволяет изменить светораспределение светодиода, повышает эффективность светотехнического устройства в целом, формирует требуемое распределение освещенности. Актуальной является задача расчета и моделирования светотехнических характеристик светодиодов и светодиодных модулей на стадии проектирования световых приборов.
Литература
1. Боровков С.А. Опыт Philips Lighting в применении светодиодов для освещения объектов различного назначения.– Светотехника, 2011, № 3, c.18–22.
2. Байнева И.И., Байнев В.В. Аспекты разработки энергоэффективных светотехнических изделий для решения задач повышения энергосбережения. – Вестник Мордовского университета, 2014, № 1–2, c. 76–80.
3. Байнева И.И., Байнев В.В. Энергоэффективные источники света и световые приборы для решения задач повышения энергосбережения: Справочник. Инженерный журнал с приложением, 2014, № 9 (206), c. 62–64.
4. Байнева И.И. Байнев В.В. Продукция светотехнической промышленности России: проблемы энергосбережения и энергоэффективности. – Научные исследования и разработки. Экономика фирмы, 2014, № 2 (7), c.4–7.
5. Bayneva I.I. Concerns Of Design Of The Energy-Efficient Fixtures. – International Journal of Applied Engineering Research, 2015, v.10, № 3, p. 6479–6487.
6. Варфоломеев Л.П. Уровень конструирования осветительных приборов со светодиодами и целесообразные области их применения. – Светотехника, 2011, № 3, c.4–11.
7. LEDiL [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ledil.com/ – Загл. с экрана.
8. Байнева И.И., Байнев В.В. Применение программ оптического моделирования в учебной и научной деятельности. – Сборка в машиностроении, приборостроении. 2015, № 4 (28),с. 53–62
Светодиодная промышленность во всем мире стала в последние годы одним из самых быстро развивающихся секторов экономики. Каждые полгода параметры светодиодов (СД) и светотехнических устройств на их основе становятся на новый количественный уровень по световой отдаче, мощности излучения и световому потоку, цветовым характеристикам. По оценке компании Philips [1], ожидается снижение себестоимости СД и прогнозируется, что к 2020 году светодиодные источники света и световые приборы на их основе займут 75% светотехнического рынка.
Задачи и перспективы развития светодиодов
Светодиоды (рис.1) как источники света начали применяться в 60-х годах ХХ века. Принцип действия светодиодов как полупроводниковых приборов основан на преобразовании электрической энергии непосредственно в световое излучение. Механическая конструкция светодиода определяет распределение света в пространстве. Для обычного освещения интерес представляют только светодиоды, излучающие белый свет, ток питания которых более 100 мА, а световой поток – более 10 лм.
Основные свойства светодиодов, которые в ближайшем будущем сделют их самыми экономичными из всех источников света:
• высокая световая отдача (100–150 лм/Вт);
• малое энергопотребление (единицы ватт);
• высокие значения КПД световых приборов и коэффициентов использования светового потока в осветительных установках;
• малые габариты (возможность использования в точечных или плоских приборах);
• высокая долговечность (десятки тысяч часов);
• отсутствие пульсации светового потока;
• возможность получения излучения различного спектрального состава;
• возможность снижения коэффициента запаса осветительных установок благодаря стабильности характеристик и высокому сроку службы;
• возможность использования для освещения выцветающих объектов (произведений искусств, продукции полиграфии, текстильного производства);
• высокая устойчивость к внешним воздействиям (температуре, вибрации, ударам, влажности);
• электробезопасность и взрывобезопасность;
• возможность резкого уменьшения размера, материалоемкости и трудоемкости производства световых приборов;
• возможность создания необслуживаемых светильников;
• высокая степень управляемости (возможность построения систем многоуровневого управления освещением);
• высокая технологичность при массовом производстве;
• низкие затраты на упаковку и транспортировку.
Широкое применение светодиодов в системах подсветки, освещения и индикации делает актуальным расчет и проектирование светодиодных оптических систем, обладающих высокой световой эффектностью и широкими возможностями контроля энергетических характеристик излучения.
Использование светодиодов в системах освещения требует применения вторичной оптики, назначение которой – направлять излученный светодиодом световой поток в заданную область пространства и обеспечивать формирование в этой области требуемое распределение освещенности [2–4]. В последнее время стремительно нарастает заинтересованность ведущих мировых производителей и потребителей источников света в замене традиционных ламп накаливания и люминесцентных ламп дневного света светодиодными световыми приборами, основу которых составляют полупроводниковые светодиоды, объединенные в светодиодные модули (СДМ) (рис.2). Развитие в данном направлении затруднено в связи с отсутствием методов расчета светотехнических характеристик СДМ и систематизированной информации по световой эффективности СД, что также вызвано недостаточным прогрессом в международной стандартизации и наличием дефицита в специальном измерительном оборудовании. Поэтому актуальной является задача моделирования светотехнических характеристик СД и СДМ на стадии проектирования световых приборов (СП) [5].
В настоящее время можно выделить основные направления исследований и разработок светодиодов:
• уменьшение падения световой эффективности при больших плотностях тока;
• улучшение световой отдачи и цветовых характеристик белых СД;
• уменьшение теплового сопротивления и отвода тепла от СД;
• исследование восприятия светодиодного освещения человеческим зрением;
• автоматизация производства светодиодов и светодиодных ламп.
Вторичная оптика для светодиодов
Известно, что СП должны выполнять две основные светотехнические задачи: нужным образом перераспределять световой поток источника света и ограничивать его слепящее действие. СД – источники света, излучающие в одну полусферу, и это требует особого подхода к конструированию СП с СД.
Светодиод обладает косинусным светораспределением (кривая силы света (КСС) типа Д с углом раскрытия светового потока 120˚) (рис.3). КСС – график зависимости силы света светового потока от меридиональных и экваториальных углов, получаемый сечением его фотометрического тела плоскостью. Но для освещения помещений с высокими пролетами или улиц такое светораспределение не подходит. Для создания энергоэффективного освещения требуется специализированная оптика.
Вторичная оптика – линза или зеркальный отражатель из пластика, монтирующийся на один или группу светодиодов, представляет отдельный компонент, не являющийся частью светодиода. Использование вторичной оптики позволяет:
• изменять светораспределение СД, например, сосредоточить излучение в нужном угле или сделать его несимметричным;
• перенаправлять весь световой поток от светодиода в освещаемую область, повышая эффективность светотехнического устройства и понижая его стоимость;
• формировать требуемое распределение освещенности, соответствующее всем стандартам освещения.
Первым параметром, по которому осуществляется подбор вторичной оптики для решения той или иной задачи, является угол светового пучка, формируемый оптическим элементом. Чаще всего это значение является углом половинной яркости, который определяется как угол, при котором сила света в этом направлении падает на 50% от максимального значения (рис.4).
Сегодня большинство мощных СД по разным причинам производится лишь с одним-двумя вариантами светораспределения. Задача оптической системы, используемой в паре со светодиодом – как можно более рационально распределить световой поток в пространстве. Правильно подобранная оптика позволяет существенно увеличить плотность светового потока диода и более точно приспособить его работу для решаемой технической задачи.
Оптические системы можно разделить на два основных типа – линзовые и отражательные (рис.5). Все они создают различные диаграммы направленности излучения в пространстве. Наиболее распространенные диаграммы (рис.6):
• узкая диаграмма – угол эффективного излучения 5–20°;
• средняя диаграмма – угол эффективного излучения 20–50°;
• широкая диаграмма – угол эффективного излучения от 50°.
Линза полного внутреннего отражения (ПВО) – коллиматор (рис.7) – работает по следующей схеме. Большие углы от светодиода собираются боковыми сторонами линзы, представляющими собой отражатель полного внутреннего отражения. Малые углы собираются линзовидной поверхностью расположенной в ПВО. Практически весь свет от СД эффективно используется и не теряется. Одним из критериев, влияющих на эффективность оптики и, в частности, линзы, является соотношение между ее размером и излучающей поверхностью светодиода. На рис.8 приведена стандартная схема коллиматора. Часть 1 внутренней поверхности полости соответствует гиперболоиду вращения и обеспечивает коллимацию центральных лучей от источника. Лучи, преломлённые на боковой поверхности внутренней полости, испытывают полное внутреннее отражение на наружной параболической поверхности 2. За счёт использования ПВО эффективность коллиматора составляет около 90%.
Не последнюю роль в увеличении коэффициента пропускания играет материал, из которого изготовлена оптика. Он не должен мутнеть со временем и под действием окружающих факторов или излучения. В настоящее время линзы для СД изготавливаются в основном из полиметилметакрилата, оптического поликарбоната с коэффициентом пропускания 95–98% или кремнийорганических соединений (силикона) [6]. Компания LEDiL предлагает изготавливать линзы из полиметаметилакрилата, но покрывать их сверху тонким слоем силикона [7]. С одной стороны, это позволяет использовать уже отработанную технологию, подходящую для линз любой формы, с другой – линза с силиконовым покрытием получает многие полезные свойства, характерные для линз из цельного силикона. Это и высокая прочность, и возможность герметизации. Такие линзы могут работать без защитного плафона.
Популярность линз объясняется большим удобством и относительной простотой формирования требуемого светового пучка, так как управление излучением осуществляется тремя плоскостями: двумя преломляющими поверхностями на входе и выходе излучения и одной отражающей поверхностью линзы. Однако проектирование таких коллиматоров представляет достаточно сложный процесс. Кроме того, проблематичным оказывается их применение для больших СД.
Рефлекторы (рис.9) имеют лишь одну отражающую поверхность, задача которой – сформировать требующийся световой пучок. Чаще всего они применяются совместно со светодиодами, имеющими излучающую поверхность увеличенного размера, или с группой СД.
Немаловажной характеристикой оптики является ее эффективность, то есть способность трансформировать световой пучок СД с как можно меньшими потерями при его пространственном преобразовании. Важным параметром также является собирательная способность систем (отношение светового потока внутри угла эффективного излучения ко всему световому потоку, прошедшему через систему). У линзовых систем эффективность, как правило, меньше.
Отражательная оптика в СП со СД имеет несколько большие размеры, чем линзовая. Отражатели делаются или из алюминия с высоким коэффициентом отражения или из пластика с напылением зеркального слоя и защитой его от внешних воздействий.
Как вторичные линзы, так и вторичные отражатели требуют очень точного расположения относительно светящего тела. Поэтому обычно к ним прилагаются специальные фирменные держатели.
В настоящее время выпускается линзовая и отражательная вторичная оптика с широкими, полуширокими, косинусными, глубокими и концентрированными КСС [6]. Для уличных светильников с СД производятся линзы с асимметричным светораспределением (широким в поперечной плоскости и концентрированным боковым в продольной).
Проблемы расчета вторичной светодиодной оптики
Проектирование и производство современных оптических систем требует моделирования сложных физических явлений. Модели распространения света в светорассеивающих элементах являются частью систем оптического моделирования.
Расчет вторичной оптики светодиодов является одной из наиболее сложных задач, возникающих в светотехнике. Это связано с большим количеством требований, одновременно предъявляемым к таким оптическим элементам:
• обеспечение высокой световой эффективности;
• минимальное расстояние от светодиода до освещаемой области при максимальном угловом размере освещаемой области;
• высокая равномерность формируемого распределения освещенности.
Вторичная оптика рассчитывается под определенный тип светодиода и заданное светораспределение. С другими светодиодами она не будет обеспечивать требуемую ширину пучка. Кроме того, освещаемая область может быть неравномерной, и возможно появление дополнительных колец. Поэтому с появлением на рынке новых светодиодов возникает задача расчета и моделирования вторичной оптики, совместимой с ними.
На сегодняшний день предлагается несколько десятков универсальных пакетов программ для проектирования оптических систем различного назначения и ряд систем, предназначенных для проектирования специализированных систем [8].
Заключение
Использование светодиодов в системах освещения требует применения вторичной оптики – линзовой и отражательной, которая позволяет изменить светораспределение светодиода, повышает эффективность светотехнического устройства в целом, формирует требуемое распределение освещенности. Актуальной является задача расчета и моделирования светотехнических характеристик светодиодов и светодиодных модулей на стадии проектирования световых приборов.
Литература
1. Боровков С.А. Опыт Philips Lighting в применении светодиодов для освещения объектов различного назначения.– Светотехника, 2011, № 3, c.18–22.
2. Байнева И.И., Байнев В.В. Аспекты разработки энергоэффективных светотехнических изделий для решения задач повышения энергосбережения. – Вестник Мордовского университета, 2014, № 1–2, c. 76–80.
3. Байнева И.И., Байнев В.В. Энергоэффективные источники света и световые приборы для решения задач повышения энергосбережения: Справочник. Инженерный журнал с приложением, 2014, № 9 (206), c. 62–64.
4. Байнева И.И. Байнев В.В. Продукция светотехнической промышленности России: проблемы энергосбережения и энергоэффективности. – Научные исследования и разработки. Экономика фирмы, 2014, № 2 (7), c.4–7.
5. Bayneva I.I. Concerns Of Design Of The Energy-Efficient Fixtures. – International Journal of Applied Engineering Research, 2015, v.10, № 3, p. 6479–6487.
6. Варфоломеев Л.П. Уровень конструирования осветительных приборов со светодиодами и целесообразные области их применения. – Светотехника, 2011, № 3, c.4–11.
7. LEDiL [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ledil.com/ – Загл. с экрана.
8. Байнева И.И., Байнев В.В. Применение программ оптического моделирования в учебной и научной деятельности. – Сборка в машиностроении, приборостроении. 2015, № 4 (28),с. 53–62
Отзывы читателей
