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大功率LED照明光学设计及在地铁照明的应用

2013-12-30    

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导语: 为保证LED面板灯发光均匀性的同时满足300lx的日间照度要求,将LED光源曲线代入LED近场均匀照度计算,根据所得结果合理分布光源位置,有效解决了灯具表面的亮斑问题。选择进口的扩散材料并在灯具内壁添加高反射膜,解决眩光的同时有效提高了LED灯具的出光效率。在光学软件中对光学系统进行照明模拟,达到设计要求后在地铁站内进行大功率LED灯具应用示范,相对于传统的格栅灯,平均照度值提高了35.95%,功耗降低了31.82%。

  引言

  LED光效高、寿命长、工作温度低、无毒、无电磁污染,被公认为第4代照明光源。随着LED灯具全寿命周期综合成本的下降,LED灯具正逐步取代传统光源成为主流照明光源。大功率LED发光面积小,光通量大,光能较集中,但直接用于室内照明眩光较严重。小功率LED虽可较好地解决眩光问题,但要满足较高的照度要求,往往要用大量LED,从而牺牲了光效,且由于散热等问题,普遍存在光衰较快的缺点。目前国内最高的大功率LED光效是由晶元光电发布的170lm/W,常用的大功率LED光效在120~150lm/W。对于大功率LED,使用合理的光学设计和灯具表面扩散材料,能在保持出光效率的同时有效减少眩光,提高照度均匀性。

  侧光式面板灯要达到与直下式面板灯相应的出光效率,需要增加LED灯珠数量从而增加成本。本文采用直下式LED面板灯,虽需要比侧光式更厚的厚度来解决均匀性问题,但它在出光效率上明显优于侧光式面板灯。本文通过LED阵列的最优排列方式和排列间距,结合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。通过模拟分析得到其最优的结构设计和LED阵列设计,照度均匀性达到99.8%,并最终应用于地铁照明当中。相较于地铁普通照明用的格栅灯,理论上可为广州地铁官洲站节电40%以上。

  1 大功率LED照明光学设计原理

  照明均匀性要求取决于不同的应用环境。而照度均匀性由灯珠与目标面的距离、灯珠发光角度、背景光源亮度、目标面的反射率、目标面的颜色等参数共同决定。应用于面板灯当中,本文只考虑LED的光强分布和目标面与LED光源阵列的距离。

  一般认为单个LED光源为朗伯源,其发光服从余弦分布,这种近似对于裸晶和封装透镜为半球形的LED是非常有效的。当目标面与光源的距离大于(ALED是LED发光面积)时,LED可以看作点光源。大功率LED发光面积小于 4mm²,而LED与直下式灯具目标面距离远大于2cm,所以它可以近似为点光源,照度的变化与距离的平方成反比。在模型建立中,假设阵列中每个LED都有相同的光波长、光通量和光强分布。

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

  

  由(3)式得到最大平坦条件d(D=d/z),d是关于m,N,M的函数。当N和M都是偶数时,D=d/z的值由函数f的零交叉点得到。当N和M都是奇数时,最大的平坦条件由函数f的最小值给定。对于其他情况,最大的平坦条件由函数f的零交叉或者其最小值给出[4]。

  如果在灯珠的排列当中能够满足上述的最大平坦条件,理论上就能在目标面形成无眩光、照度分布均匀的光斑。

  2 设计模型及其仿真

  本方案采用大功率1W LED光源直下式灯具结构,通过LED光源交叉排布的形式达到面板灯表面亮度均匀的效果,使用进口材料扩散板,全光透过率在90%以上,在灯具内侧镀银反射膜,提高光效。

  2.1 灯具结构设计

  灯盘尺寸为1 000mm×300mm×80mm。LED灯珠排布在5条铝条上,初步设定灯条上灯珠间隔100mm,每个灯条安装9颗LED灯珠,灯条之间间隔60mm。灯条底部粘贴导热硅胶,用于辅助LED灯珠散热。灯具侧面及底面镀银高反射系数反射膜,反射率达98%,提高光能利用率。

  2.2 灯盘的配光设计及仿真

  我们在结构设计软件中建立灯具外壳结构,导入专业光学仿真软件中,使用图1所示结构,建立LED点阵的模型。假设单颗LED的发光效率为120lm/W,为了达到混光均匀的效果,使用三角点阵的排布方式,当z=80mm,M=5,N=9,由公式(3)满足最大平坦条件可得d0=50mm,因此d=100mm无法满足最大平坦条件。这是实际设计中经常遇到的问题,实际模型往往无法满足理想条件。但是,三角点阵的排布方法具有良好的混光能力,通过给内壁贴反射膜以及出光面加扩散板的方法,可以达到均匀混光的效果。

  图1 铝条结构示意图

 

  现在设定3组数据分别为:d=100mm,d=110mm,d=120mm;灯具内部无漏光,灯具侧壁反射率为100%,使用仿真软件分别进行模拟分析。由仿真结果可知,在其他条件保持不变的情况下,当d=100mm时,灯具的左右两侧出现明显的暗区,光照均匀度(以照度平均值除以照度最大值)约为88.2%,见图2。这是因为在灯具外部结构确定的情况下,灯珠距离过小时,发光主要集中在灯具出光面的中间部分,从而使得左右两侧出现暗区。当d=120mm时,灯具的左右两侧的暗区消失,出现峰值,但是灯具表面出现波浪状的照度分布,这是由于LED灯珠之间过大的间隔引起的混光不充分导致的,光照均匀度为72.5%,见图3。当d=110mm时,灯具表面呈现出较均匀的照度分布,左右两侧的暗区明显改善,照度均匀度高达92.4%,见图4。

  从上述数据来看,当d=110mm时,灯具具有最高的照度均匀度及最好的照度分布。对其实际制作的样品(见图5)经广州质量监测局测试,光通量达到3 762.94lm。与仿真当中的5 300lm有较大的差距,这是因为实际样品当中内壁的反射率无法达到100%,增加了反射膜后,理论上也只能达到98%。并且,样品当中存在一定程度的漏光,而仿真时是不存在漏光和吸收的。

  

  3 项目实施及数据分析

  经过前期的样品测试,本课题所研发的大功率LED面板灯具已在生产厂家投产,并在广州地铁4号线官洲站的站厅(公共区)以及站台区实施,图6为官洲站照明示范现场照片。官洲站属于小型站,按照小型站的照明标准设计其照明工程。具体要求为:站厅(公共区)夜间和白天正常照度均在200lx以上;站台正常照度为150lx以上。

  

  在改装LED面板灯前和改装后分别对公共区进行了实地照度测试,布点如图7所示,结果见表1和表2。

  

  

  比较表1和表2可知,LED面板灯相对于传统的格栅灯,平均照度值提高了35.95%,而相应功耗降低了31.82%,并且不含汞污染,拥有更长的使用寿命。

  4 结论

  本文利用最大平坦条件的理论分析,为面板灯的均匀混光提供了较好的模型。首先,通过最大平坦化条件得到其灯珠间距,但是确定现实灯具灯珠间距无法满足条件,使用了最大平坦化条件当中灯珠的分布模式来获取良好的混光模型。其次,建立仿真模型,得出当灯具尺寸为1 000mm×300mm×80mm,灯珠间距为110mm时灯具混光效果最佳。最后,通过开模投产,应用于广州地铁官州站照明当中,相比传统格栅灯,平均照度提高了35.95%,功耗降低31.82%。从地铁站实际使用情况来看,本设计在将来LED室内照明的普及和推广中,具有巨大的社会潜在价值,可创造可观的经济效益。

 

编辑:Cedar

标签:大功率LED灯具  照度均匀性  眩光  照度  

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