A35 Анализ возможностей освещения удалённых объектов светодиодными модулями

Гутцайт Э.М., МЭИ (ТУ), г. Москва

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

1. Введение

Когда ставится задача замены ламп накаливания (ЛН) светодиодами (СД), то обычно она решается так, как это иллюстрируется на рис. 1. Прежде всего, выбирается цоколь типа  Е-27, внутри которого монтируется преобразователь переменного напряжения 220 В на пониженное постоянное напряжение, например, 12 В. Затем, если необходимо заменить 60-ваттную ЛН, обеспечивающую световой поток около 1000 лм,  используют более десятка мощных СД, которые размещают в единой лампе с упомянутым цоколем, или изготавливают кластер, состоящий, например, из 4 х 4 одноваттных синих кристаллов, которые покрывают жёлтым люминофором. Кристаллы, расположенные в непосредственной близости один от другого с токами по 350 мА, нуждаются в теплоотводе, поэтому лампа снабжается радиатором. На выходе СД лампы  после люминофора с первичной полимерной линзой обычно располагается тщательно отполированный зеркальный отражатель и защитное полимерное окно или дополнительная линза, обеспечивающая вкупе с отражателем необходимую кривую силы света (КСС). 


Рисунок 1. Многокристальная СД-лампа с радиатором и цоколем Е-27 

На  наш  взгляд, это не правильная идеология замены обычных ламп светодиодами.

Во-первых, СД имеют срок службы на два порядка больше ЛН. Когда Эдисон изобрёл винтовой цоколь, то лампу довольно часто приходилось вворачивать и выворачивать из патрона. При использовании СД отпадает надобность в патроне и цоколе. Их не придётся менять в течение всего срока службы транспортного средства, которое они освещают, а также в период между капитальными ремонтами помещений, где они смонтированы. Поэтому светодиодные устройства должны быть неотъемлемой частью освещаемого объекта.

Во-вторых, кучное расположение светоизлучающих кристаллов ослепляет и не обеспечивает равномерное распределение освещённости. Их лучше располагать на определённых расстояниях один от другого и монтировать на потолке в виде «неба в алмазах» или изготавливать светодиодные модули (СДМ), например, на панелях. При использовании больших СДМ, как будет показано далее, не выполняется закон квадрата расстояния (ЗКР) и освещённость слабо уменьшается с увеличением расстояния между СДМ и освещаемой площадкой (ОП) в ближней зоне, определяемой размерами СДМ.

В третьих, полупроводниковые приборы в принципе являются маломощными и СД по сути - холодные источники света. Их не следует нагревать, пропуская большие токи, и охлаждать радиаторами или другими устройствами. Тем более, что кристаллы размерами 1 мм2  при  токе  100 мА  обеспечивают   световую   отдачу  на  20 % больше, чем при токе

 350 мА, как это видно из рис. 2. При эксплуатации СД с уменьшенным током снижается энергопотребление, но количество СД необходимо увеличить в 1,5 - 2 раза для обеспечения прежнего значения суммарного светового потока. Поэтому СД должны быть как можно проще, чтобы не были дорогими. Заметим, что при замене мощных и конструктивно сложных источников света множеством простых и маломощных, можно получить дополнительные преимущества в светораспределении.  


Рисунок 2. Характеристики СД при больших значениях постоянного тока 

Исходя из высказанных соображений, в проведенных расчётах использованы СД, обеспечивающие световые потоки по 50 лм, и проанализированы возможности освещения больших помещений светодиодами с разными КСС. При этом определено количество СД и интервалы их расположения в СДМ для обеспечения требуемых значений освещённости и равномерности распределения освещённости.

Для определения освещённости в центре ОП воспользуемся выражением E0 = KI0/h2, где I0 - осевая сила света излучателя,  K - коэффициент отклонения от ЗКР, который стремится к единице (K → 1) при увеличении расстояния h от СДМ до ОП.

Будем считать, как и в [1], что K отличается от единицы более чем на 5 % в ближней зоне и менее 5 % - в дальней. В большинстве случаев зависимость K(h) имеет возрастающий характер, как показано штриховой кривой 1 на рис. 3, и аппроксимируется выражением K=(h2+A)/(h2+B), где A и B - постоянные числа. На рис. 3 сплошной линией 4 показана кривая K(h), рассчитанная при A=40 и B=100. 

Однако зависимость K(h) может иметь и аномальный характер, когда источник света имеет не простую диаграмму излучения. Некоторые примеры аномальных характеристик K(h) представлены штриховыми линиями 2 и 3 на рис. 3. В основном наблюдаются немонотонные кривые типа 2, имеющие падающий характер после максимума. Их будем называть аномальными характеристиками 1-го рода. Кривые типа 3, имеющие возрастающий характер после максимального и минимального значений КО, будем относить к аномальным характеристикам 2-го рода.


Рисунок 3. Кривые K(h)

2. Объекты исследований

Рассматриваются СДМ, содержащие СД с различными типами кривых сил света (КСС) и разными размерами СДМ, определяемыми количеством СД и интервалами между ними. Кроме того, рассматривается влияние поворотов СД в различных направлениях. Для количественного сопоставления полученных результатов считалось, что используемые СД, обладающие разными оптическими системами (ОС), обеспечивают одинаковые световые потоки по 50 лм. При этом значения сил света СД с выбранной ОС определялись либо с помощью интегралов по аналитическим характеристикам или через суммы по экспериментальным  зависимостям  в  виде  выражений  [2]:   или  где  Δωi,i+1 = 2π(cosθi - cosθi+1) - i-й зональный телесный угол, n - количество соответствующих зон, а  Iθ,i(θ) - среднее значение силы света в Δωi,i+1.

В качестве объектов исследований были взяты СД, аналогичные по характеру КСС светодиодам типов NSWPR (Nichia), У-332, У-345Э и У-200 (НПЦ «ОПТЭЛ»), DNC (Duraled) и HPWL (Hewlet Packard). Их КСС для световых потоков равных 50 лм, полученные с помощью приведенных формул, представлены соответственно кривыми 1-6 на рис. 4. Кривые 1 и 2 относятся к КСС с большими углами излучения (УИ) по половинному уровню от максимального значения силы света 2θ0.5. Для них УИ 2θ0.5 = 100 0 и 70 0 соответственно. Эти КСС по определению [2]  близки к косинусным типа Д. Кривые 3 и 4 характеризуют концентрированное излучение (типа К) с УИ 2θ0.5 = 15 0 и 2θ0.5 = 6 0. Кривую 5 тоже можно отнести к концентрированному типу КСС с УИ 2θ0.5 = 30 0, но её особенность заключается в том, что осевая сила света не является максимальной (в данном случае I0=0,7Imax). Кривая 6 с УИ 2θ0.5 = 100 0 и I0=0,5Imax определена в [2] как полуширокая (типа Л). В англоязычной литературе угловые распределения сил света, соответствующие кривым 5 и 6, называют «batwing» (по виду крыльев бабочки). Кривые 1-4 можно считать косинусными, поскольку они могут быть аппроксимированы выражениями I = I0cospmθ, где  p и  m - числовые коэффициенты, рассмотренные в [3].

Рисунок 4. Типы КСС 

3. Результаты расчётов

В качестве исходного допущения предполагалось, что для каждого СД выполняется ЗКР, хотя СД не являются равномерными излучателями и имеют свои ОС с первичными отражающими поверхностями и преломляющими полимерными линзами. Это предположение основано на том, что размеры ОС СД на 2-3 порядка меньше расстояний до объектов, освещаемых СДМ. Иными словами, считалось, что объекты, расположенные, например, на расстоянии более 2 м, находятся в ближней зоне относительно СДМ и в дальней зоне относительно каждого СД, входящего в СДМ. 

Расчёты выполнялись по программе в Матлабе [4], составленной Краснопольским А.Е. и автором данного сообщения. Для введения КСС использовались сглаживающие сплайны. Вначале рассчитывались распределения освещённостей (РО) на ОП в виде поверхностей Е(х,у) для разных расстояний h. Для примера на рис. 5  показаны типовые РО. По ним определялись характеристики освещённостей в центрах ОП в виде E0(h). Затем, рассчитывались зависимости E0h2(h), выходящие на постоянный уровень, где K=1, и по которым   определялось  значение  I0  для  построения   характеристик K(h).  Например,  на

рис. 6 приведены результаты расчётов для квадратного СДМ из 21х21 шт. СД с ОС 5-го варианта с интервалами Δх = Δу = 40 см при различных поворотах СД. Заметим, что на рис. 5 приведены РО для разных расстояний h от этого СДМ с равномерно повёрнутыми СД внутрь СДМ на углы 15 0 для крайних СД.

 а)                                                                                                                                  б)

Рисунок 5. Распределения освещённостей при h = 10 м (а) и 12 м (б)

                 а)                                                                                                                     б)  

Рисунок 6. Характеристики Е0(h) (а) и K(h) (б) при разных поворотах СД с ОС 5-го варианта

Кривые 1 и 2 на рис. 6 получены для случаев, когда крайние  СД повёрнуты к центру СДМ на 15 0 и 5 0 соответственно; кривая 3 относится к не повёрнутым СД и кривые 4 - 6 рассчитаны для СДМ, в которых крайние СД повёрнуты от центра на  5 0, 10 0 и 15 0. Заметим, что в представленном примере (см. рис. 6б) получены нормальные характеристики КО от ЗКР (кривые 5 и 6), аномальные характеристики 1-го рода (кривые 1 и 4) и аномальные характеристики 2-го рода (кривые 2 и 3). Следует обратить внимание на «выброс» у кривой 1 при h = 10-12 м. Это связано с изменениями характера РО и переходами от выпуклого РО к вогнутому, показанными на рис. 5а и 5б.

В данной работе были выполнены аналогичные расчёты для СДМ, состоящих из всех 6 вариантов СД, КСС которых приведены на рис. 4.

Наиболее простые зависимости Е0(h) и K(h) получаются при использовании СД с КСС косинусного типа. Так, на рис. 7 представлены результаты расчётов СДМ из различного количества не повёрнутых СД с ОС 3-го варианта (2θ0.5 = 15 0) при интервалах между СД по 40 см. Кривые 1 соответствуют количеству СД 5 х 5, 2 - 10 х 10, 3 - 20 х 20 и 4 - 30 30 шт. Из рис. 7 видно, что зависимости Е0(h) и K(h) являются нормальными и с увеличением размеров СДМ становятся более пологими.

Для более полного анализа особенностей освещения ОП от рассматриваемых СДМ проводились оценки равномерностей РО. Особое внимание обращалось на то, как изменяется равномерность РО при малом изменении освещённости от расстояния до ОП. Равномерность РО оценивалась по 10%-ному уровню от максимального значения с использованием выражения t = Δl0.1 L, где Δl0.1 - протяжённость участка ОП, при которой освещённость изменяется в пределах 10 %, а L - соответствующий размер СДМ. Величина t была названа относительной равномерностью распределения освещённости (ОРРО).

            а)                                                                                                                     б)    
Рисунок 7. Характеристики Е0(h) (а) и K(h) (б) при не повёрнутых СД с  ОС 3-го варианта

В качестве примера на рис. 8 показаны характеристики ОРРО в зависимости от расстояния h для аналогичного СДМ из 21х21 шт. СД с ОС 5-го варианта, но с интервалами Δх = Δу = 12 см, чтобы приблизить дальнюю зону и показать, что в ней значения ОРРО  при поворотах СД на одинаковые углы совпадают между собой независимо от того, куда повёрнуты СД (к центру или от центра СДМ). Кривые, приведенные на рис. 8, относятся к следующим вариантам СДМ: 1 - крайние СД повёрнуты к центру СДМ на 30 0, 2 - на 10 0, 3  - не повёрнуты, 4 -  крайние СД повёрнуты от центра СДМ на 10 0 и 5 - на 30 0.


Рисунок 8. Характеристики ОРРО                       

Следует обратить внимание на то, что при расчётах распределения освещённости, проходящей через минимум в центре ОП, возможно появление нерегулярных участков  характеристик ОРРО (см. кривые 2 и 3), когда при изменении расстояния h разница между максимальным и минимальным значениями освещённости переходит через 10 %.

4. Заключение

Полученные результаты расчётов свидетельствуют о том, что при размерах СДМ, сравнимых с высотой освещаемого помещения, освещённость изменяется незначительно для не повёрнутых или мало повёрнутых СД. Так, из кривой 3 на рис. 6а для СДМ с размерами 8 х 8 м2 видно, что  освещённость в центре ОП на расстоянии 2 м от СДМ составляет 345 лк,  при h = 10 м она снижается только до 315 лк. Так же мало изменяется освещённость от больших СДМ при использовании СД с ОС  другого варианта, рассмотренного на рис.7а.

 Характеристики K(h) зависят от типа КСС СД, содержащихся в СДМ, от формы СДМ (квадратные, прямоугольные или линейные), количества СД и интервалов между ними, а также от углов поворотов СД от центра или к центру СДМ. Показано, что при использовании СДМ с не повёрнутыми СД, КСС которых относятся к косинусному типу, получаются нормальные характеристики K(h).

По виду характеристик K(h) можно судить об уменьшении освещённости ОП в ближней зоне. При нормальных характеристиках K(h), как правило, чем более пологими являются эти характеристики, тем меньше спадает освещённость ОП при увеличении расстояния между СДМ и ОП.

Аномальный характер зависимостей K(h) получается при поворотах СД (с КСС косинусного типа) к центру СДМ, т.е. при фокусировке световых лучей. В этом случае наблюдаются аномальные характеристики 1-го рода. Их максимумы  увеличиваются по мере уменьшения углов излучения СД. При аномальных характеристиках K(h) резко изменяется освещённость ОП в ближней зоне.

Отмечено, что при использовании СД с КСС типа «batwing» могут быть получены наиболее разнообразные кривые K(h).

 Результаты исследований зависимостей ОРРО от расстояния между СДМ и ОП показали, что в общем случае они сначала переходят через минимумы (в ближней зоне), а затем монотонно возрастают. Показано также, что повороты СД от центра СДМ, как правило, обеспечивают более высокие значения ОРРО  в ближней зоне, чем повороты СД к центру СДМ.

В итоге следует ещё обратить внимание на «противоречие» между равномерностью распределения освещённости на ОП и значениями освещённости, выражающееся в том, что высокие значения ОРРО  достигаются за счёт уменьшения максимальной освещённости.

Литература:

  1. Гутцайт Э.М. Исследования освещённостей от светодиодных модулей, расположенных на больших расстояниях от освещаемых объектов. Радиотехника и электроника, 2009. № 1. С.113-124.
  2. Справочная книга по светотехнике. Под ред. Ю.Б. Айзенберга. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Знак. 2006. 972 c.
  3. Гутцайт Э.М. Анализ светодиодных модулей для местного освещения. Радиотехника и электроника, 2007. №12. С.1486-1504.
  4. Гутцайт Э.М., Краснопольский А.Е., Милютин Д.В. Расчёты светодиодных модулей для местного освещения. Светотехника, 2007. № 4. С.52 - 56.  

Тематика:

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
22 queries. 0.098 seconds.