У другій статті циклу публікацій про конструювання напівпровідникових світлових приладів (ПСП) мова піде про формування кутового розподілу сили світла. Світло, безпосередньо виходить з світлодіодів, далеко не завжди «придатний» для використання - дуже часто його необхідно перенаправити: в одних випадках сфокусувати, щоб виготовити прожектор, в інших - розподілити, щоб знизити яскравість і виготовити світильник загального освітлення. У статті розповідається про методи, що дозволяють отримувати від світильника таке просторове розподіл сили світла, яке відповідало б поставленим завданням.
Початкові дані
У більшості випадків світильник розробляється не для одного конкретного об'єкта, а для типового застосування. Існує кілька стандартних типів діаграм кутового розподілу сили світла, або кривих сили світла (КСС), докладний опис яких можна знайти, наприклад, в ГОСТ 17677-82, а короткий приведено в табл. 1 і на рис. 1. Деякі розробники проектують світильник, вибираючи діаграму в залежності від параметрів об'єкта освітлення, при цьому виходить, що в більшості інших випадків виріб виявляється не зовсім відповідним.
Для виробничих приміщень рекомендується застосовувати світильники прямого світла з КСС типу К, Г, Д. Причому чим більше висота підвісу, тим вже зона напрямків максимальної сили світла. Для загального освітлення офісів в основному годяться світильники прямого і розсіяного світла з КСС типу Г і Д. Для підсвічування особливих, виділених зон, внутрішніх архітектурних рішень і деталей інтер'єру підходять світлові прилади з КСС типу К. Для формування відбитого або приглушеного світла (наприклад, в холі будівлі) необхідно застосовувати світильники переважно відбитого світла (КСС типу С). Як правило, в описаних випадках використовуються освітлювальні прилади, просторовий розподіл сили світла яких є тіло обертання.
асортимент
Mаломощние світлодіоди (<1 Вт) имеют некоторое разнообразие диаграмм углового распределения силы света (КСС типа К, Г, Д), но во многих случаях они неудобны для проектирования световых приборов, особенно мощных. Одна из причин — слабый световой поток от одного диода, из-за чего в светильник приходится устанавливать сотни (а то и тысячи) маломощных светодиодов. Также можно упомянуть низкую эффективность параметров формируемой диаграммы — это касается светодиодов, имеющих КСС типов К и Г (подробнее будет описано дальше).
Мал. 1. Типи кривих сили світла по ГОСТ 17677-82
Більшість сучасних потужних світлодіодів (≥1 Вт) мають діаграму типу Д. Для розширення номенклатури за типами (КСС) застосовують елементи так званої вторинної оптики: заломлюючої і відбиває. Але у деяких виробників можна зустріти потужні світлодіоди з діаграмами, вужчими, ніж Д, - наприклад, у світлодіода W49180 серії Z-Power компанії Seoul Semiconductor полушіріна становить близько 90 °.
Таблиця 1. Типи кривих сили світла і рекомендації по їх формуванню
Тип кривої сили світла
Рекомендовані методи формування КСС
при використанні потужних білих світлодіодів
Спеціальна вторинна оптика
Світлодіоди без вторинної оптики, спеціальні відбивачі
Вторинні преломляющие оптичні елементи являють собою коллиматорние лінзи, які перерозподіляють світловий потік від світлодіода. Конструкція таких елементів має на увазі використання максимальної вихідної апертури світлодіода, при цьому досягається високий показник ефективності перерозподілу вихідного потоку. Під ефективністю ми маємо на увазі ставлення повного потоку, що вийшов з КОЛЛИМАТОРНОЙ лінзи, до потоку світлодіода, на який лінза встановлена. Це свого роду ККД лінзи. Втрати на таких елементах (не менше 8%), в основному, обумовлені втратами на кожному кордоні розділу двох середовищ і визначаються законом відображення і заломлення Френеля. Реальна ефективність коліматорних заломлюючих елементів, гладкі (без мікрорельєфу) поверхні яких не мають складної форми, складає 80-90%. Висока ефективність (близько 90%) коліматорних лінз з гладкою (без мікрорельєфу) поверхнею зберігається при напівширину КСС в 5-30 °. Для отримання більш широкої діаграми (FWHM 20-60 °) на вихідному торці КОЛЛИМАТОРНОЙ лінзи або застосовують растрову систему мікролінз, або формують грубий мікрорельєф (шагрень), щоб поверхня придбала розсіюють властивості. Ефективність такого елемента знижується і може складати від 85 до 70%.
За допомогою коліматорних лінзових елементів вторинної оптики можна отримати не тільки осесиметричні діаграми. Формуючи на вихідний поверхні особливий рельєф у вигляді клинових смуг (прорізів, канавок), домагаються картини розподілу освітленості на поверхні у вигляді витягнутого овалу, а не кола. За допомогою таких елементів можна отримувати діаграми, які характеризуються, наприклад, напівшириною КСС 20-40 ° при оптичної ефективності не більше 80%.
Крім коліматорних лінз, існують і дзеркальні відбивні елементи. Їх ефективність також висока і може досягати (в залежності від якості дзеркального покриття) 90%. Діапазон формованих діаграм у таких елементів досить широкий - FWHM 10-80 °. Однак вони не набули широкого поширення, оскільки в порівнянні з лінзовими коліматорами мають значно більші габарити, менш гнучкі параметри для формування діаграми (одна відбивна поверхня замість двох у лінзових), а їх дзеркальне покриття нерідко схильне поступової деградації і впливу зовнішніх кліматичних факторів.
Відбивач зручно застосовувати в поєднанні з великогабаритними (в порівнянні зі звичайними світлодіодами) джерелами світла. Наприклад, коли джерело світла складається з кількох кристалів, об'єднаних загальною первинної лінзою або захисним шаром силікону. Коліматорні лінзи в такому випадку не підходять, так як їх розмір і витрата матеріалу виявилися б занадто великими. Оскільки це дорого, то доцільно використовувати відбивач. В цьому випадку недоліки відбивної системи компенсуються її низькою вартістю. Варто відзначити, що відбивач можна застосовувати і при частковій фокусуванні світла від декількох окремих світлодіодів.
Іноді крім коліматорних лінзових і відображають елементів вторинної оптики використовують звичайні круглі плоско-опуклі лінзи. Ефективність таких лінз значно нижче, ніж у інших елементів. Це очевидно, тому що такі лінзи не здатні збирати весь світло, що випромінюється світлодіодом.
Відносно недавно для застосування в вуличному освітленні стали розроблятися спеціальні елементи вторинної оптики. Застосування таких лінз може істотно спростити завдання проектування напівпровідникових світильників для освітлення вулиць і доріг, при цьому їх можна буде встановлювати замість звичайних з розрядними лампами, не змінюючи конфігурацію опор. Компанія LedLink для таких завдань пропонує лінзу (рис. 2-4) з асиметричною діаграмою, необхідної при монтажі світильника з нахилом. У поздовжньому перерізі така лінза має КСС типу Ш, в поперечному - К.
Мал. 2. Вторинна оптика від LedLink для вуличного світильника:
а) LL01CR-AU50120L - для симетричною діаграми;
б) LL01CR-AU85135L - для асиметричної
Мал. 3. Криві сили світла в двох перпендикулярних меридіональних площинах
Мал. 4. Пояснення до роботи світильника із симетричною і асиметричною діаграмами
вибір рішення
Припустимо, нам потрібно розробити той чи інший світловий прилад на основі світлодіодів з урахуванням області застосування і необхідних характеристик. Провівши попередні розрахунки освітленості (зазвичай вони виконуються за допомогою спеціального програмного забезпечення, наприклад DIALux), можна визначити необхідне значення повного світлового потоку світильника, а також його просторовий розподіл сили світла. Виходячи з цих даних, легко підрахувати необхідне число світлодіодів, природно, необхідно врахувати втрати на елементах вторинної оптики, розсіювачах і ін.
Для вибору типу вторинної оптики перш за все необхідно проаналізувати діаграму проектованого світильника. Чи є у неї вісь або площина симетрії, наскільки вона гладка, де розташовані пікові значення сили світла. Якщо діаграма круглосімметрічним, слід визначити осьову і максимальну сили світла, кутову ширину на рівні 0,5 і 0,1 від неї (FWHM). Далі проводиться пошук необхідного або близького за светораспределению світлодіода, оцінюється картина розподілу освітленості і світловіддачі світильника. Якщо обраний високоефективний світлодіод не забезпечує заданий розподіл освітленості, то необхідно застосовувати вторинну оптику. Тому необхідно заздалегідь з'ясувати, чи пропонують виробники вторинної оптики що-небудь для конкретної марки світлодіода.
Як правило, вибір вторинних елементів для формування круглосімметрічним діаграм (КСС типів К і Г), а також реалізація КСС типу Д первинної оптикою самих світлодіодів не викликає особливих труднощів. До того ж виробники постаралися забезпечити споживачів для їх зручності комплектами або наборами елементів вторинної оптики по 3, 5, 15 і т. Д. Коліматорних лінз, об'єднаних в єдину (монолітну) деталь.
Через малі розміри світлодіоди, як і нитка лампи розжарювання, мають велику яскравість, т. Е. Великий світловий потік виходить з поверхні малої площі. Це плюс при проектуванні прожекторів і недолік при використанні в загальному освітленні. Якщо напівпровідниковий світильник знаходиться недалеко від робочого місця, то відкриті світлодіоди утворюють велику кількість тіньових контурів від рук або інструменту. Ця особливість робить експлуатацію відкритого світлодіодного світла практично неможливою. Крім того, очі людей повинні бути захищені від надмірної яскравості світильника. В цьому випадку необхідно передбачати світлорозсіювачі, в якості яких можна використовувати молочні, призматичні або растрові скла, різні відбивачі і перегородки.
Необхідно відзначити, що для всього різноманіття конструктивних виконань, типів елементів вторинної оптики і сполучених разом з нею світлодіодів необхідно чітко дотримуватися рекомендацій виробника. У разі фізичного поєднання світлодіода з невідповідною вторинної оптикою не можна гарантувати передавальні характеристики оптичної системи.
Світлодіодів, виробники яких не входять в першу п'ятірку світових лідерів, може не виявитися в списках виробників вторинної оптики. У такому випадку відповідний варіант доведеться шукати методом перебору. Імовірність, що знайдеться лінза, підходяща для вирішення завдання разом з обраним світлодіодом, досить висока. Але при цьому може знадобитися провести вимірювання не з одним десятком лінз або відбивачів.
Таким чином, яке б ви не вибрали оптичне рішення для проектованого світильника, його необхідно перевірити, т. Е. Виконати вимір кутового розподілу сили світла світлодіода, модуля або світильника. Воно полягає в почерговому вимірі сили світла випромінювача під різними кутами і зазвичай виконується для однієї або декількох меридіональних площин (рис. 5). Для кожної меридіональної площині отримують криву сили світла, тобто залежність сили світла від кута. - широти, при цьому за 0 ° приймають осьовий напрямок. Ось є місцем перетину всіх меридіональних площин. Для вимірювання КСС використовуються гоніофотометри. Один з таких приладів описаний в [1].
Мал. 5. Меридіональні площині
Для отримання достовірних даних при вимірюванні КСС необхідно правильно вибрати відстань між світлодіодом і фотоприймачем - так зване відстань фотометрірованія R. Сила світла при цьому буде пропорційна сигналу від фотодетектора і квадрату відстані фотометрірованія. Сигнал фотодетектора, як правило, пропорційний освітленості, яку створює на ньому джерело світла. Але це правило працює в разі, якщо відстань досить велика, т. Е. Виконується закон зворотних квадратів. Очевидно, що якщо відстань фотометрірованія порівняно з габаритами джерела світла, то зазначений закон дотримуватися не буде. При вимірюванні таких тіл, як безрефлекторние лампи розжарювання або люмінесцентні лампи, т. Е. Джерел світла, що випромінюють переважно однаково в усіх напрямках, відстань фотометрірованія має бути не менше, ніж десятикратний розмір вимірюваного джерела світла.
Мал. 6. Залежність результатів вимірювання сили світла від відстані фотометрірованія
для 5-мм світлодіода з напівшириною КСС 15 °. чисельне моделювання
Однак в разі вузько джерел світла, наприклад світлодіодів з вторинною оптикою або відбивачами, що створюють пучок з напівшириною 30 ° і менше, правило «десяти габаритів» не працює. Не вдаючись в подробиці теорії оптичних систем, можна сказати, що чим вже КСС, тим більше має бути відстань. Для прикладу на рис. 6 показана залежність результатів вимірювання сили світла від відстані фотометрірованія. Крива приведена для 5-мм світлодіода, полушіріна КСС якого становить 15 °. Очевидно, що силу світла такого світлодіода можна вимірювати на відстані не менше 80-90 см.
КСС можна вимірювати як у відносних одиницях, так і в абсолютних (канделах). Відносні вимірювання можна проводити звичайним кремнієвим фотодіодів. А якщо кольоровість джерела світла залежить від напрямку випромінювання, що характерно для багатьох білих світлодіодів, то для зниження похибки вимірювання бажано використовувати корегований фотоприймач (як в люксметром). Його сигнал (фотострум) пропорційний освітленості - т. Е. Світловий, а не енергетичній величині. Для точного вимірювання абсолютних значень потрібно більш складна техніка, описана в [2].
За результатами вимірювання КСС можна розрахувати повний світловий потік. У разі, коли діаграма спрямованості світлодіода є тіло обертання, можна виміряти КСС в одній площині і розрахувати повний світловий потік за формулою:
де Fv - повний світловий потік; # 916; # 920; - кутовий крок, з яким вимірюється кутовий розподіл: # 916; # 920; = # 920; i + 1 - # 920; i; Iv (# 920; i) - сила світла в напрямку # 920; i.
В інших випадках, коли діаграма спрямованості характеризується різними КСС в різних меридіональних площинах, для отримання достовірних даних можуть знадобитися виміру КСС в 20 меридіональних площинах і більш. Повний світловий потік при цьому розраховується як середнє від суми потоків всіх секторів.
Результати вимірювань КСС дозволяють, по-перше, оцінити абсолютні значення різних характеристик випромінювача (форму і полуширину КСС, осьову силу світла, повний світловий потік), а по-друге - отримати інформацію про ефективність вторинної оптики. Розглянемо останнім докладніше.
ККД (відношення повного світлового потоку світлодіода з елементами вторинної оптики до тієї ж величині без них) дозволяє оцінити загальну ефективність оптичної системи, але ця характеристика не є головним критерієм при порівнянні ефективності різних рішень. Її слід брати до уваги тільки тоді, коли прийняті рішення з урахуванням всіх інших показників.
Величина кд / лм (відношення осьової сили світла до світлового потоку джерела світла, використовуваного в світлотехнічному пристрої) показує, наскільки змінюється максимальна сила світла при застосуванні джерел світла з різним світловим потоком в одній і тій же оптичній системі або навпаки - одного джерела в різних оптичних системах. Очевидно, що чим менше полушіріна пучка, тим більше значення сили світла при тому ж значенні світлового потоку світлодіода. При рівних значеннях півширини величина кд / лм показує, який з порівнюваних елементів вторинної оптики дає велику силу світла. Цим параметром зручно користуватися, якщо необхідно отримати якомога більшого значення осьової сили світла, але він не свідчить про ефективність оптики. При цьому ККД світильника не завжди дозволяє зробити правильний вибір, тому що крім потоку, сформованого в потрібному напрямку, враховує і той потік, який може розсіюватися в побічних напрямках.
Розглянемо співвідношення ширини КСС на рівні 0,5 і 0,1 від максимального значення сили світла. Чим ближче один до одного ці показники, тим більше світла випромінюється в потрібному напрямку і менше - в інші області простору. Замість зазначеного співвідношення можна використовувати відношення потоку, випромінюваного в тілесному куті, обмеженому напівшириною, до повного світлового потоку.