Светильник с высокомощными светодиодами для общего освещения

1. Светораспределение светильника
Получение постоянной освещенности на заданной поверхности, напрямую связанное с максимально возможной степенью равномерности освещения, требует использование светильников с кривой силы света (I_oα), определяемой выражением

где I_o0 – осевая сила света светильника.
I_o0 может быть рассчитана по общему световому потоку и максимальному углу прямого выхода α_ob (рис. 1) светильника. Световой поток светильника зависит от распределения силы света источника света (ИС). В случае высокомощных светодиодов (СД) можно предположить, что для них кривая распределения силы света (КСС) очень близка к косинусной (ламбертовской). Это предположение подтверждается нашими измерениями СД мощностью 3 и 5 Вт². Согласно Lighting theory and luminous characteristics of white lightemitting diodes, Optical-Engineering, высокомощные CД не следует «непосредственно» использовать в светильниках для общего освещения. В предположении, что коэффициент отражения отражателя равен 0,82, осевая сила света СД с косинусной КСС, оцениваемая в 318,3 кд/клм, больше требуемой I_o0 при α_ob свыше 43,6°. Следовательно, в случае светильников для общего освещения с обычными значениями α_ob, 55–65°, равномерно освещающий светильник должен конструироваться так, чтобы центральная часть светового пучка СД рассеивалась дополнительными отражателем или линзой, что усложняет конструкцию и повышает цену светильника.

Рис. 1. Оптико-геометрическая схема проектируемого светильника с «ломаной» кривой силы света

 
В соответствии с евростандартом EN 12464-1:2002 «Light and lighting – Lighting of Work Places – Part 1: Indoor work places», коэффициент равномерности освещения (КРО) заданной поверхности (определяемый отношением минимальной и средней освещенностей на заданной поверхности) в случае непрерывной работы должен составлять не менее 0,7. В этом причина решения исследовать равномерность освещения светильниками с α_ob свыше 43,6°, при том, что центральная часть КСС светильников, характеризуемая углом α_ox (рис. 1), идентична КСС ИС. Минимальный нормативный КРО 0,7 достигается при α_ob не более 60,4°. Согласно этому, возможно проектирование светильников с одним отражателем, обеспечивающих КРО свыше 0,7. Светильник с α_ob = 60° теоретически может обеспечивать КРО 0,713, а при α_ob = 55° КРО возрастает до 0,852. Поэтому учитывая, что на практике КРО меньше, чем по теории, для проектирования был выбран вариант светильника с α_ob = 55°. Такой светильник имеет α_ox = 37,6° и I_o0 = 252,2 кд/клм.
2. Конструкция модельного светильника
Форма отражателя светильника была рассчитана по КСС I_oα с использованием метода потока (flux method) (рис. 2). Отдельные элементы отражателя имеют постоянный угловой размер Δφ, который определяет точность воспроизведения заданной КСС всего светильника при условии, что размеры его ИС пренебрежимо малы. Кроме того, оценивалась зависимость точности получаемых результатов от Δφ. Удовлетворительная точность получается уже при Δφ = 1°. Данный метод расчета формы отражателя не охватывает случаи ИС реальных размеров. Поэтому анализ применимости расчетных форм отражателей проводился для систем с конечными размерами ИС. Результаты этого анализа подтверждают применимость отражателей, рассчитанных для ИС с пренебрежимо малыми размерами, в световых системах с реальными ИС конечных размеров. Изменения КСС заметны только тогда, когда соотношение размеров ИС и отражателя достигает 1:5.

Рис. 2. Расчётная форма осесимметричного отражателя с углом прямого выхода (α_ob) 55°

 
Конструкция модели исследуемого светильника с множеством СД типа LXHL-LW3C, имеющих диаметр линзы 5,6 мм, характеризовалась наличием отражательного модуля с диаметром выходного отверстия единичных отражателей в нём 60 мм (рис. 2). СД типа LXHL-LW3C, излучающий белый свет, характеризуется стандартным рабочим током 700 мА и рабочим падением напряжения 3,7 В, рассеивая, тем самым, мощность 2,6 Вт. При этом световой поток СД равен 66 лм (минимум 60 лм). СД также может работать при токе 1000 мА и падении напряжения 3,9 В, рассеивая при этом мощность 3,9 Вт и излучая световой поток 80 лм. Данный СД излучает значительное количество синего и зелено-желтого света, и потому его цветовая температура (Т_ц) достаточно высока, типично 5500 K. Производитель даёт очень широкий разброс СД по Т_ц: от 4500 до 10 000 К. Кроме того, производитель не предоставляет никаких оценок общего индекса цветопередачи (R_a), лишь уверяя, что он хороший. Основываясь на «каталожном» спектральном распределении излучения СД LXHL-LW3C, были рассчитаны его Т_ц (6177 K) и R_a (67). Т_ц 6177 K слишком высока для большинства применений, и, учитывая допускаемый производителем широкий разброс по Т_ц, стало очевидным, что требуемый светильник должен был иметь «механизм» регулирования Т_ц. Было детально исследовано влияние красного СД типа LXHL-LD3C на кажущееся изменение Т_ц белых СД. Как следует из рис. 3, увеличение количества белых СД (n_б) тесно связано с увеличением Т_ц и R_a результирующего света. В итоге, спроектированный светильник содержал по одному красному СД LXHL-LD3C на каждые 5 белых СД LXHL-LW3C. Оптическое излучение СД в таком сочетании, характеризуется результирующими Т_ц = 2709 K и R_a = 67 (совпадает с R_a каждого белого СД). Выбор такого сочетания СД имеет преимущество и в плане электропитания, поскольку у большинства имеющихся источников питания (ИП) максимальное выходное напряжение равно 24 В, соответствующее 6 СД, последовательно соединенным в цепочку.

Рис. 3. Расчётные цветовая температура (Т_ц) и общий индекс цветопередачи (R_a) смеси излучений одного красного и n_б белых светодиодов

 
При использовании в данном светильнике схемы регулирования, позволяющей снижать относительный световой поток красных СД (Ф_к), данное сочетание СД также может обеспечивать белый свет с Т_ц выше 2709 K и R_a до 79 (рис. 4).

Рис. 4. Расчётные цветовая температура (Т_ц) и общий индекс цветопередачи (R_a) смеси излучений одного красного и пяти белых светодиодов в зависимости от относительного светового потока красного светодиода (Ф_к)

 
Требуемый модельный светильник должен был содержать 30 белых СД LXHL-LW3C и расположенных по диагонали светильника 6 красных СД LXHL-LD3C (рис. 5). Каждый СД установлен на отдельном электрически изолированном радиаторе (рис. 1, а).

Рис. 5. Фото модельного светильника с 36 светодиодами: а – без отражателей; б – с отражателями

 
2.1. Источник питания модельного светильника
В соответствии с требованиями производителя, данные мощные СД должны питаться только от ИП – источник тока. Такого рода ИП, имеющиеся на рынке, имеют максимальное выходное напряжение 24-25 В. Это же относится и к ИП фирмы «Philips» типа Xitanium™ 80W/3.15-24V/3150 mA, который был выбран для нашего модельного светильника. Некоторые каталожные данные этого ИП следующие:
– максимальная выходная мощность – 80 Вт;
– выходной ток – 3 300 мA ± 5 %;
– выходное напряжение – 2,6-25,0 В;
– максимальная температура на корпусе – 90 °C.
В соответствии с инструкцией по применению, этот ИП предназначен для питания 5, 10, 15, 20 или 25 СД Luxeon™ мощностью 3 Вт. Это означает, что ИП должен питать пять параллельных цепочек с одинаковым количеством СД (не более 5). Ограничение количества СД в цепочке пятью штуками проистекает, повидимому, из необходимости, согласно инструкции, обеспечивать необходимые условия работы ИП даже при не самых благоприятных режимах работы, например, при использовании СД с максимально допустимым рабочим падением напряжения в 4,47 В. В случае типовых СД с рабочим падением напряжения не более 3,9 В возможно использование 6 таких СД в цепочке. Производитель данного ИП предлагает два варианта соединения СД, согласно рис. 6.

Рис. 6. Варианты подключения светодиодов к источнику питания, рекомендуемые их производителем: а – без уравнительных соединений; б – с уравнительными соединениями

 
Для питания модельного светильника вначале планировалось использовать два ИП Xitanium™ 80W/3.15-24V/3 150 mA, каждый из которых должен был питать 3 параллельных цепочки с 6 СД (5 белых и 1 красный) в каждой. Дополнительно предполагалось, что белые СД будут слегка перегружены, так как при выходном токе ИП в 3150 мА ток каждой цепочки равен 1050 мА (если токи цепочек одинаковы), что несколько больше номинально допустимого тока указанных СД в 1000 мА. Также предполагалось, что рабочий ток 1050 мА не снижает срока службы СД, особенно учитывая, что применённые радиаторы имеют значительно меньшие обычных тепловые сопротивления. До подключения обоих ИП было решено измерить параметры ИП и блока соединенных как показано на рис. 6, а СД. При этом такое соединение СД, подсказываемое производителем, не защищает их от повреждения в аварийном режиме, особенно когда они уже эксплуатируются на максимально допустимом токе, указываемом производителем. Поэтому стоило определить, есть ли у ИП защита от неравномерного распределения тока по (параллельным) цепочкам СД. Для этого использовались резисторы номиналом 2 Ом/5 Вт, подсоединяемые к ИП в разных вариантах. Эти исследования подтвердили наличие риска несбалансированного распределения тока по подсоединяемым параллельным цепочкам из-за различия их электрических параметров. Есть только один ограничитель тока цепи – максимальное выходное напряжение ИП, равное 24,4 В. Измерениями также установлено, что выходной ток ИП подвержен колебаниям (с частотой менее 1 Гц) в интервале значений 3150-3330 мА и что ИП снабжён защитой от коротких замыканий.
Анализ вольтамперных характеристик (ВАХ) 6-ти цепочек СД в модельном светильнике (в каждой по 6 СД: 5 белых, типа LXHL-LW3C, и один красный, типа LXHL-LD3C) подтвердил заметные различия этих цепочек (см. табл. 1 и рис. 7).

Таблица 1.
Измеренные напряжения на раздельно взятых 6-ти цепочках светодиодов (соединяемых в светильнике параллельно) при разных токах цепочек

Рис. 7. Вольтамперные характеристики 6-ти светодиодных цепочек модельного светильника

Перед началом анализа полученных результатов следует подчеркнуть, что все применённые СД были из одной партии (при покупке они даже находились на общей алюминиевой основе). Все графики ВАХ параллельны друг другу, показывая, что данные СД имеют одинаковые динамические сопротивления, т.е. Равный прирост напряжения даёт равный для всех СД прирост тока. Наблюдаемая разница абсолютных значений напряжения по табл. 1 и рис. 7 может казаться незначительной, но заметим, что при динамическом сопротивлении цепочек порядка 3,6 Ом наблюдаемым различиям по напряжению порядка 0,4 В соответствуют токовые различия цепочек порядка 0,1 А! Все цепочки при подключении к одному и тому же ИП имеют одинаковое входное напряжение, что увеличивает эти токовые различия. Например, при входном напряжении 20 В ток цепочки 1 (рис. 7) равен 720 мА (минимальный), а цепочки 2 – 840 мА (максимальный). Следовательно, относительное различие токов двух этих цепочек достигает 20%.
С учётом сказанного, начальное намерение использовать два ИП Xitanium™ 80W/3.15-24V/3 150 mA было изменено на использование лишь одного ИП. Это решение обосновывалось и тем, что на исследовательской стадии необходим стабильный и безопасный режим работы СД, что важнее получения их максимальных номинальных светотехнических параметров. Более детальный анализ системы питания показал, что в аварийном режиме (например, при разрыве одной из параллельных цепочек) весь выходной ток ИП пойдёт по остающимся цепочкам. В этом случае в варианте с 3 параллельными цепочками большинство СД выйдет из строя.
Итак, вместо использования двух параллельных ИП Xitanium™ 80W/3.15-24V/3 150 mA нами использовался только один. Измеренные токи параллельных цепочек модельного светильника (табл. 2) непосредственно отражают различия электрических параметров разных цепочек (табл. 1). Кроме того, наблюдалось колебание силы тока блока СД в целом, подтверждающее начальные результаты нашего анализа системы. Следует также отметить, что при среднем рабочем токе цепочек СД (оцениваемом по максимальным и минимальным токам каждой цепочки), равном 537 мА, разница между самым большим и самым малым токами цепочек составляла 90 мА, что соответствовало относительной разности токов в 20%, подтверждая предыдущие выводы. Спроектированный модельный светильник имел входной ток 326 мА (переменный) при напряжении сети 230 В, что соответствовало входной мощности в 70 Вт.

Таблица 2.
Результаты измерения токов 6-ти параллельных цепочек светодиодов в модельном светильнике с одним источником питания Xitanium™ 80W/3.15-24V/3 150 mA

 
3. Заключение
На рис. 8 приведены измеренные КСС блока 36 СД (рис. 5, а) и модельного светильника (рис. 5, б). Сконструированный светильник характеризуется низкой яркостью и указанной КСС. Реально полученная КСС характеризуется намного меньшей максимальной силой света по сравнению с расчётной, что вызвано технологией производства модельных отражателей, поверхность которых обладает небольшим рассеивающим действием. Несмотря на это, модельный светильник даёт заметно лучшую равномерность освещения по сравнению с блоком СД. При этом измеренный световой поток блока 36 СД составляет 1954 лм (в среднем 54,3 лм на СД). Модельный светильник имеет очень высокий КПД, достигающий 92%, что на 15-20% выше, чем у других светильников с похожими параметрами, но с другими ИС. Светильник, как то и требовалось, относительно низкопрофилен и мог бы быть выполнен ещё более плоским с использованием более плоских радиаторов. Измеренная Т_ц светильника составляет 3702 K, что выше расчётного значения. Измеренный R_a равен 81. Таким образом, можно заключить, что спроектированный модельный светильник с высокомощными СД вполне пригоден для общего освещения.

Рис. 8. Кривые силы света блока 36 светодиодов (красная пунктирная линия) и модельного светильника: измеренная (красная сплошная линия) и расчётная (синяя сплошная линия)