Конструирование и оценка светильника на основе LED
Главная задача заключается в сцеплении света от LED в проводник света с минимальными потерями. Высокие коэффициенты сцепления достигаются за счет согласования числовой апертуры или угла приема света проводника с углом излучения LED. В этом случае коэффициент сцепления превышает 92%. 8% потерь обусловлены отражением Френеля в воздушном зазоре с обеих сторон. Одним из способовминимизировать потери Френеля является размещение LED внутри оболочки проводника света, как показано на Рисунке 1, с последующей фьюзией двух материалов (эпоксидного купола LED и проводника света) или применением эпоксидных смол с сопоставимым индексом преломления. Поэтому все проводники света в данном исследовании konkавными полостями для размещения LED внутри.
Остальной сцепленный свет распространяется внутри проводника света и в конечном итоге выходит за его пределы. Различные обработки поверхности проводника меняют траекторию распространения света. Как известно, свет можно ровать различными методами: отражением (диффузным и зеркальным), пропagation и преломлением. Таким образом, для формирования конкретного распределения кандельной силы у проводника два фактора: поверхностные свойства и форма поперечного сечения. Если поверхности идеально подполированы, лучи, сцепленные в проводник, перемещаются отражениями между наружными поверхностями (ПВО) (Рисунок 2а). Но при преобразовании одной поверхности в диффузно-отражающую поверхность Ламберта, падающий свет undergoes диффузное рассеяние, и большая часть света преломляется через противоположную поверхность (Рисунок 2б). Диффузную поверхность Ламберта можно создать с помощью слоя белой диффузной краски. Кроме того, форма и размеры проводника, а также матрица микроструктур на его поверхности, вносят вклад в распределение света [3, 4]. Обычно проще производить проводники с квадратным, прямоугольным или круглым сечением.
Рисунок 2: (a) идеально подполированный проводник света; (b) проводник с диффузно-отражающей поверхностью Ламберта.
Первым шагом было создание модели источника света. Конкретный LED-источник, использованный в компьютерной моделировании, представляет собой коммерческий продукт Luxeon (LXHL-PWO). Как высокомощный LED, 1-ваттовый белый эмиттер Luxeon обеспечивает световой поток до 18 люмен. Модель источника создана в программе LightTools. На Рисунке 3 представлена модель LED-источника и его кандельная диаграмма распределения Ламберта, совпадающая с техническими характеристиками производителя.
Рисунок 3: (a) смоделированный эмиттер Luxeon LXHL-PWO; (b) Кандельная диаграмма модели LED.
Кроме того, одному из главных требований к светильнику является максимизация выходящего света. Поэтому оптическая эффективность проводника определяется формулой:
Моделирование проводника началось с ущенной версии, чтобы быстро определить оптимальные параметры, обеспечивающие идеальное распределение и высокую эффективность. В конечном итоге, на основе проанализированных параметров, был создан modelos светильника полного размера.
Как ранее обсуждалось, направление распространения лучей внутри проводника можно модифицировать с помощью формы поперечного сечения. Для исследования выбран прямоугольный проводник. Все поверхности, кроме двух, являются диффузно-отражающими (отражаемость 93%); konkавная поверхность для установки LED и конечная поверхность выхода света представляют собой ПВО-поверхности, как показано на Рисунке 4. Благодаря такому обработке, лучи, выходящие из ПВО-поверхности, формируют косинусовое распределение кандельной силы вдоль проводника (направление 0°). На Рисунке 5а показаны результаты трассировки лучей. Таблица 1 содержит физические параметры ущенной модели проводника. Результаты показали, что эффективность такой модели составляет 64%. Потери света обусловлены поглощением диффузной поверхности (34%). Отмечено, что эффективность зависит от размеров проводника: обычно, чем больше площадь ПВО-поверхности, тем выше эффективность.
Рисунок 4: (a) изометрическое представление поверхностных свойств проводника для косинусового распределения при 0°; (b) поперечное сечение.
Рисунок 5: Кандельные распределения при 0° и 90° (a) с одним LED; (b) с LED на обоих концах.
Таблица 1: Физические параметры модели проводника в LightTools.
Примечалось, что распределение в направлении 90° (по оси проводника) было асимметричным: рядом с источником couplings больше лучей. Эта проблема была решена добавлением LED на противоположном конце, что позволило создать косинусовые распределения в обоих направлениях (0° и 90°) (Рисунок 5б).
В настоящее время нет единого определения распределения «крыло летучей мыши», квантифицирующего количество света в каждом зональном угле. В этом исследовании оно определено как распределение с максимальной люминоузной интенсивностью около угла 45° по отношению к зениту/надиру, причем интенсивность в зените/надире меньше 70% максимальной (см. Рисунок 6). Для реализации такого распределения необходимо модифицировать поверхностный финиш выходной поверхности. Предыдущие исследования показывают, что prifмовый проводник может демонстрировать широкий спектр фотометрических характеристик [3]. Используя этот принцип, в исследовании в качестве обработки поверхности применена матрица микропризмов для формирования распределения «крыло летучей мыши». Процесс его создания представлен ниже.
Рисунок 6: Распределение «крыло летучей мыши».
Все эти параметры определяют количество выходных лучей. Кроме того, ориентация поверхности типа A (α) является для направления лучей и, следовательно, для распределения кандельной силы. была проведена предварительная с использованием ущенной модели, чтобы определить оптимальное проектирование матрицы микропризмов в termes распределения и эффективности. Каждый параметр изменяли, сохраняя остальные постоянными, и анализировали выходной пучок.
По результатам трассировки (Таблица 3) заметно, что с увеличением α эффективность повышается из-за большего ПВО-площади, но распределение ит к косинусу. Таким образом, между эффективностью и существует компромисс. Оптимальным углом для типа A surfaces был выбран 20°.
*Imax: максимальная интенсивность вдоль проводника (0°); Inadir: интенсивность в надире.
Далее проводились расчеты для определения оптимального β с фиксированным α=20°, а параметры h, d и N оставлялись такими же (см. Таблица 2). На Рисунке 8 отображен изменение эффективности η в функции β. По аналогии, с увеличением β эффективность растет, но наблюдается leichtое изменение. Оптимальным β был выбран 40°, балансирующий эффективность и.
При условиях α=20°, β=40°, d=4 мм и N=8 проанализирована зависимость эффективности от высоты призмы (Рисунок 9). При увеличении h эффективность растет до определенной точки, затем падает в зависимости от толщины проводника. Учитывая размер LED и толщину, оптимальной высотой призмы wurde 3,5 мм.
Последним шагом было определение оптимальной плотности микропризмов (расстояние d между призмами). При фиксированных α=20°, β=40°, h=3,5 мм и длине проводника 60 мм исследована зависимость эффективности от d (Рисунок 10). Уменьшение d приводит к снижению эффективности, но становится более похожим на «крыло летучей мыши». Оптимальным расcтоянием 2 мм.
Оптический анализ показал, что для получения распределения «крыло летучей мыши» с максимальной эффективностью оптимальные параметры: α=20°, β=40°, h=3,5 мм, d=2 мм. Авторы отмечают, что эти значения специфичны для данного проекта.
Последней задачей было масштабирование моделей и интеграция компонентов для создания светильника, обеспечивающего необходимое распределение и уровни света. В качестве примера выбраны стандартные размеры флуоресцентного светильника: длина проводников 1200 мм (4 фута), ширина 300 мм (1 фут). Сечение системы представлено на Рисунке 10. Проводник A обеспечивает косинусовое распределение вниз, два проводника B — «крыло летучей мыши» вниз, два проводника C — вверх. Проводники B и C соединены в единый элемент. У всех проводников одинаковые размеры: 1200×80×10 мм. Размеры микропризмов основаны на предыдущих исследованиях. LED установлены внутри проводников: только у проводника A LED-матрицы расположены по обеим сторонам (направление 0°), у B и C — по одной матрице на стороне (Рисунок 11). Количество LED в C составляет 2/3 от B, так как для света вверх требуется меньше. Учитывая requirements для Luxeon, расстояние между LED для A и B — 25 мм, для C — 37,5 мм: в A — 96, в B — 48, в C — 32 LED. LEDмонтируются на алюминиевом радиаторе, который в реальном светильнике будет экструдирован с плищами для увеличения площади конвекции. Пространство между проводниками предназначено для алюминиевого соединения. Подробные размеры приведены в Приложении A.
Проводились две стадии трассировки: сначала тестировались распределения с дальним приемником, затем рассчитывалась эффективность. Вторая стадия моделировала работу системы в конференц-сallon 5×5×3,3 м с таблицей 1,3×2 м. По IES Handbook, освещенность на столе должна быть 500 лк, а однородность (отношение максимума к среднему) на столе, стенах и потолке должна быть меньше 10, 10 и 3 соответственно.
На Рисунке 12 отображены кандельные распределения каждого компонента, соответствующие требованиям. LED с проводниками могут формировать практически любое распределение. Эффективности: косинусовое — 81%, «крыло летучей мыши» — 40%, система — 55%. Эффективность достаточно низкая для практического применения: при косинусовом распределении 19% света поглощается, при «крылом» — около 50% захватывается, не считая 8% и 5% потерь от поглощения и Френеля. Видимо, в проводниках с «крылым» распределением происходит больше потерь.
На Рисунке 13 показаны освещенности при включенных всех LED. По Таблице 4, однородность на всех поверхностях хорошая, особенно на столе (близко к 1:1), но уровень света низок из-за низкой эффективности проводников B и C.
Рисунок 13: Области освещенности на (a) столе, (b) передней стене, (c) боковой, (d) потолке.
Таблица 4: Максимальная и средняя освещенность, коэффициенты однородности.