大功率LED照明光学设计及在地铁照明的应用

By | 2020年7月24日

  引言


  LED光效高、寿命长、工作温度低、无毒、无电磁净化,被公以为第4代照明光源。跟着LED灯具全寿命周期综分解本的降落,LED灯具正逐渐庖代传统光源成为支流照明光源。年夜功率LED发光面积小,光通量年夜,光能较集中,但间接用于室内照明眩光较重大。小功率LED虽可较好地处理眩光成绩,但要餍足较高的照度要求,往往要用年夜量LED,从而就义了光效,且因为散热等成绩,普遍存正在光衰较快的缺陷。今朝国际最高的年夜功率LED光效是由晶元光电公布的170lm/W,罕用的年夜功率LED光效正在120~150lm/W。关于年夜功率LED,应用正当的光学设计以及灯具外表分散资料,能正在放弃出光效率的同时无效缩小眩光,进步照度平均性。


  侧光式面板灯要达到与直下式面板灯相应的出光效率,需求添加LED灯珠数目从而添加老本。本文彩用直下式LED面板灯,虽需求比侧光式更厚的厚度来处理平均性成绩,但它正在出光效率上显著优于侧光式面板灯。本文经过LED阵列的最优陈列形式以及陈列间距,连系地铁照明灯具设计要求,设计1种可用于地铁室内照明的LED面板灯。经过模仿剖析失去其最优的构造设计以及LED阵列设计,照度平均性达到99.8%,并终极使用于地铁照明傍边。相较于地铁一般照明用的格栅灯,实践上可为广州地铁官洲站节电40%以上。


  1 年夜功率LED照明光学设计原理


  照明平均性要求取决于没有同的使用环境。而照度平均性由灯珠与指标面的间隔、灯珠发光角度、布景光源亮度、指标面的反射率、指标面的颜色等参数独特决议。使用于面板灯傍边,本文只思考LED的光强散布以及指标面与LED光源阵列的间隔。


  普通以为单个LED光源为朗伯源,其发光遵从余弦散布,这类近似关于裸晶以及封装透镜为半球形的LED长短常无效的。当指标面与光源的间隔年夜于(ALED是LED发光面积)时,LED能够看做点光源。年夜功率LED发光面积小于 4妹妹²,而LED与直下式灯具指标面间隔弘远于2cm,以是它能够近似为点光源,照度的变动与间隔的平方成正比。正在模子建设中,假定阵列中每一个LED都有相反的光波长、光通量以及光强散布。


  关于M行N列的三角阵列(N为最长的1行中的LED数目),总的LED个数为[4]


  


  由(3)式失去最年夜平整前提d(D=d/z),d是对于m,N,M的函数。当N以及M都是偶数时,D=d/z的值由函数f的零穿插点失去。当N以及M都是奇数时,最年夜的平整前提由函数f的最小值给定。关于其余状况,最年夜的平整前提由函数f的零穿插或许其最小值给出[4]。


  假如正在灯珠的陈列傍边可以餍足上述的最年夜平整前提,实践上就能正在指标面构成无眩光、照度散布平均的光斑。


  2 设计模子及其仿真


  本计划采纳年夜功率1W LED光源直下式灯具构造,经过LED光源穿插排布的方式达到面板灯外表亮度平均的成果,应用出口资料分散板,全光透过率正在90%以上,正在灯具内侧镀银反射膜,进步光效。


  2.1 灯具构造设计


  灯盘尺寸为1 000妹妹×300妹妹×80妹妹。LED灯珠排布正在5条铝条上,初步设定灯条上灯珠距离100妹妹,每一个灯条装置9颗LED灯珠,灯条之间距离60妹妹。灯条底部粘贴导热硅胶,用于辅佐LED灯珠散热。灯具正面及底面镀银高反射系数反射膜,反射率达98%,进步光能行使率。


  2.2 灯盘的配光设计及仿真


  咱们正在构造设计软件中建设灯具外壳构造,导入业余光学仿真软件中,应用图1所示构造,建设LED点阵的模子。假定单颗LED的发光效率为120lm/W,为了达到混光平均的成果,应用三角点阵的排布形式,当z=80妹妹,M=5,N=9,由公式(3)餍足最年夜平整前提可患上d0=50妹妹,因而d=100妹妹无奈餍足最年夜平整前提。这是实际设计中常常遇到的成绩,实际模子往往无奈餍足理想前提。然而,三角点阵的排布办法具备精良的混光才能,经过给内壁贴反射膜和出光面加分散板的办法,能够达到平均混光的成果。



  图1 铝条构造表示图

 

  如今设定3组数据辨别为:d=100妹妹,d=110妹妹,d=120妹妹;灯具外部无漏光,灯具侧壁反射率为100%,应用仿真软件辨别进行模仿剖析。由仿真后果可知,正在其余前提放弃没有变的状况下,当d=100妹妹时,灯具的阁下双侧呈现显著的暗区,光照平均度(以照度均匀值除了以照度最年夜值)约为88.2%,见图2。这是由于正在灯具内部构造确定的状况下,灯珠间隔太小时,发光次要集中正在灯具出光面的两头局部,从而使患上阁下双侧呈现暗区。当d=120妹妹时,灯具的阁下双侧的暗区隐没,呈现峰值,然而灯具外表呈现海浪状的照度散布,这是因为LED灯珠之间过年夜的距离惹起的混光没有充沛招致的,光照平均度为72.5%,见图3。当d=110妹妹时,灯具外表出现出较平均的照度散布,阁下双侧的暗区显著改善,照度平均度高达92.4%,见图4。





  从上述数据来看,当d=110妹妹时,灯具具备最高的照度平均度及最佳的照度散布。对其实际制造的样品(见图5)经广州品质监测局测试,光通量达到3 762.94lm。与仿真傍边的5 300lm有较年夜的差距,这是由于实际样品傍边内壁的反射率无奈达到100%,添加了反射膜后,实践上也只能达到98%。而且,样品傍边存正在肯定水平的漏光,而仿真时是没有存正在漏光以及排汇的。


  


  3 名目施行及数据剖析


  通过后期的样品测试,本课题所研发的年夜功率LED面板灯具已正在消费厂家投产,并正在广州地铁4号线官洲站的站厅(公共区)和站台区施行,图6为官洲站照昭示范现场照片。官洲站属于小型站,依照小型站的照明规范设计其照明工程。详细要求为:站厅(公共区)夜间以及白昼失常照度均正在200lx以上;站台失常照度为150lx以上。


  


  正在改装LED面板灯前以及改装后辨别对公共区进行了实地照度测试,布点如图7所示,后果见表1以及表2。


  


  


  比拟表1以及表2可知,LED面板灯绝对于传统的格栅灯,均匀照度值进步了35.95%,而相应功耗升高了31.82%,而且没有含汞净化,领有更长的应用寿命。


  4 论断


  本文行使最年夜平整前提的实践剖析,为面板灯的平均混光提供了较好的模子。起首,经过最年夜平整化前提失去其灯珠间距,然而确定事实灯具灯珠间距无奈餍足前提,应用了最年夜平整化前提傍边灯珠的散布模式来猎取精良的混光模子。其次,建设仿真模子,患上出当灯具尺寸为1 000妹妹×300妹妹×80妹妹,灯珠间距为110妹妹时灯具混光成果最好。最初,经过开模投产,使用于广州地铁官州站照明傍边,相比传统格栅灯,均匀照度进步了35.95%,功耗升高31.82%。从地铁站实际应用状况来看,本设计正在未来LED室内照明的普及以及推行中,具备微小的社会潜正在代价,可发明可观的经济效益。


 


编纂:Cedar