Оптическая система LED светильника: линзы, отражатели
В статье рассматривается вопрос улучшения характеристик серийно производимых светодиодных светильников за счет применения элементов вторичной оптики – линз и отражателей.
Процесс разработки и внедрения в серийное производство различных осветительных приборов сопряжен с поиском оптимального соотношения между потребляемой мощностью и светоотдачей. Исходя лишь из этих двух критериев, полупроводниковые LED технологии значительно превосходят галогенные, и тем более, традиционные лампы накаливания. Но излучающей способности, пусть даже и большой, недостаточно для того, чтобы прибор считался эффективным. Не менее важно выйти на определенный уровень плотности и направления светового потока. Для его получения используется набор вспомогательных элементов, который имеет собирательное название оптическая система светильника. В этой статье мы постараемся разобраться в том, из чего она состоит, какими характеристиками обладает, и как их выбор влияет на итоговые параметры работы оборудования.
Основные определения и характеристики
Начнем, пожалуй, из того, что сформулируем определение оптической системы. Опираясь на открытые источники информации, можно заключить, что ОС осветительного прибора представляет собой один или несколько элементов, преобразующих форму светового пучка или направление распространения лучей. В качестве принципа действия могут быть использованы физические явления преломления, отражения, рассеивания, интерференции, дифракции и т. п. Но тут же возникает закономерный вопрос: а зачем искажать исходный сильный поток лучей?
Ответ на него кроется в конструктивной схеме прибора: напомним, что главный его элемент, кристалл, располагается на поверхности теплоотводящей матрицы. То есть, фактически, излучение происходит в пространство над ней – такую себе полусферу. Но таким ли однородным будет этот самый пучок света? Даже не будучи крупным специалистом в области оптики, напрашивается закономерный вывод: в центральной области он будет более плотным, интенсивным, а ближе к периферии эти показатели плавно снижаются. Технология производства излучающих диодов не предусматривает изменения их оптической схемы: кристалл сверху закрыт первичной линзой. То есть, скорректировать ее под конкретные условия эксплуатации можно лишь с помощью вторичных элементов, например, используя светильник светодиодный с отражателем или линзой.
Но даже при использовании вспомогательных элементов, один и тот же светильник будет полностью удовлетворять требованиям освещенности одного объекта и в то же время, полностью не соответствовать другому. Например, приборы, прекрасно зарекомендовавшие себя в условиях офисных, жилых, производственных помещений, отнюдь не подходят для работы в качестве уличных или тоннельных прожекторов. Чтобы оценить их оптическую эффективность вводится понятие кривой силы света (КСС).
КСС – это диаграмма углового распределения света в пространстве. Она представляет собой двухмерный график, который, правда, не имеет классических осей Х и Y. Координатная сетка имеет концентрично-угловую структуру:
- Лучи, которые расходятся от центра с шагом 10°. Представляют углы распространения света в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
- Окружности. Соответствуют значениям силы света. Последняя может быть представлена в общепринятых единицах измерения (кд или Кандела в системе СИ) или процентах/долях (от 0 до 1 или от 0 до 100%).
ДСТУ EN 60598-1:2015 «Светильники. Общие требования и испытания» содержит описания и графики стандартных семи КСС: концентрированной (К), глубокой (Г), косинусной (Д), синусной (С), широкой (Ш), полуширокой (Л), равномерной (М). Каждая из них характеризуется определенными углами раскрытия потока (зона, в которой наблюдается максимальная сила света), и формой, по которой их можно разделить на три основных типа:
- Узкие. График является вытянутым вдоль вертикальной оси, то есть, угол раскрытия находится в пределах 0…40° (половинный угол – от 0 до 20°). Очевидно, что к этой группе можно отнести светильник, обладающий высокой направленностью излучения, контрастностью. Использовать его лучше в помещениях с высокими потолками, для точечной подсветки объектов или поверхностей;
- Средние. При углах раскрытия от 40° до 100° график отстоит дальше от вертикальной оси. Такие светильники обладают мягким, насыщенным светом, равномерно распределенной яркостью, а потому, прекрасно подходят для помещений с обычной высотой (2,5…2,7 м);
- Широкие. Такой график по форме вытянут уже вдоль горизонтали, что не удивительно при рабочих углах свыше 100°. Приборы этого типа подойдут для размещения на низких потолках, хорошо освещая при этом не только пол, но и стены.
Стандартные КСС используются в качестве базовых, но при проектировании новых образцов оборудования их форма может отличаться.
Светильник с отражателем или линзами?
В зависимости от применяемых элементов вторичной оптики, можно получить несколько основных типов светового потока, от прямого до рассеянного, и отраженного. В общем случае на выбор конкретного варианта (линзы, отражателя, рассеивателя) или их комбинации влияют следующие критерии:
- Симметричность/асимметричность КСС. Яркий пример – уличные, дорожные светильники, расположенные на столбах. В отечественной практике используют симметричные линзы (ось светового потока прибора совпадает с осью излучающего элемента), а приборы располагаются на наклонных консолях. То есть, находясь на боковой части дороги, удается осветить все полотно равномерно. В Европе консоль обычно делают горизонтальной, поэтому в приборе приходится использовать смещающие ось линзы или отражатели;
- Оптическая эффективность;
- Требуемый угол раскрытия светового потока;
- Особенности монтажа, сборки;
- Дизайн.
Кроме того, на выбор линзы или отражателя влияет конструкция источника излучения – платы со светодиодами. К примеру, если используется миниатюрная сборка, в которой не больше 4 кристаллов и есть первичная линза, то вторичная оптическая система должна быть преимущественно также линзовой. В этом случае, имеет место фокусировка лучей, которыми можно легко управлять в трех плоскостях. Эффективность такой системы может достигать 85-90%.
Когда в качестве излучающего элемента используется большая сбивка из кристаллов, применять линзы не целесообразно. Дело в том, что ее размеры также должны быть приличными, а конструкция – сложной, что сразу же влияет на общую стоимость прибора. В такой ситуации лучше отдать предпочтение отражателям или их системе. Производитель однозначно выиграет в цене, температурных характеристиках светодиодов. К тому же, не смотря на менее гибкую регулировку, эффективность такой системы также может достигать 90%.
Иногда, решение сложных задач при проектировании освещения может потребовать комбинации обоих типов вторичной оптики. Ярким примером является автомобильная фара, в которой режимы ближнего, дальнего и дневного света обеспечиваются и отражателями, и линзами.
Материалы для изготовления
Оптические характеристики линз и рефлекторов напрямую зависят от их формы, поскольку так удается добиться требуемых углов отражения, преломления, фокусировки лучей. Но не менее важен и сам материал, в том числе и с эксплуатационной точки зрения. К примеру, светодиодный светильник, линза которого изготовлена из силикона, не меняет своих оптических свойств вплоть до 300ºС, но при этом с трудом поддается очистке, особенно при серьезных загрязнениях.
Кроме силикона, который также значительно ускоряет процедуру изготовления линз, для их производства используют:
- Полиметилметакрилат (ПММА). Термопластичный полимер, который в народе часто называют акриловым или органическим стеклом. Это достаточно легкий, устойчивый к изменению температурно-влажностных режимов материал. Он легко обрабатывается, устойчив к агрессивным веществам. Не пропускает инфракрасное излучение;
- Поликарбонат. Еще один вид полимерного стекла, отличающегося исключительной механической прочностью, долговечностью и высоким светопропусканием (95-99%). Блокирует прохождение ультрафиолетовых лучей.
Что касается отражателей, то здесь производитель не ограничен в выборе материалов. Изготовить его можно из пластика, металла и даже ламинированной фанеры, ведь главное добиться требуемого качества и формы поверхности рефракции. Как правило, она должна состоять из большого количества мелких граней, на которые для улучшения отражающих характеристик наносится специальное зеркальное покрытие.
