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大功率LED照明光学设计及在地铁照明的应用[1]

2013-12-30  来源:(广东高校半导体照明工程研究中心、华南理工大学理学院,广州 510640)  有4538人阅读

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

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