1. Основні визначення і характеристики
2. Світильник з відбивачем або лінзами?
3. Матеріали для виготовлення

У статті розглядається питання поліпшення характеристик серійно вироблюваних світлодіодних світильників за рахунок застосування елементів вторинної оптики - лінз і відбивачів.

Процес розробки і впровадження в серійне виробництво різних освітлювальних приладів пов'язаний з пошуком оптимального співвідношення між споживаною потужністю і світловіддачею. Виходячи лише з цих двох критеріїв, напівпровідникові LED технології значно перевершують галогенні, і тим більше, традиційні лампи розжарювання. Але випромінюючої здатності, нехай навіть і великий, недостатньо для того, щоб прилад вважався ефективним. Не менш важливо вийти на певний рівень щільності і напрямки світлового потоку. Для його отримання використовується набір допоміжних елементів, який має збірна назва оптична система світильника. У цій статті ми постараємося розібратися в тому, з чого вона складається, якими характеристиками має, і як їх вибір впливає на підсумкові параметри роботи обладнання.

Основні визначення і характеристики

Почнемо, мабуть, з того, що сформулюємо визначення оптичної системи. Спираючись на відкриті джерела інформації, можна зробити висновок, що ОС освітлювального приладу являє собою один або кілька елементів, що перетворюють форму світлового пучка або напрямок поширення променів. Як принципу дії можуть бути використані фізичні явища заломлення, відображення, розсіювання, інтерференції, дифракції і т. П. Але тут же виникає закономірне питання: а навіщо спотворювати вихідний сильний потік променів?

Відповідь на нього криється в конструктивній схемі приладу: нагадаємо, що головний його елемент, кристал , Розташовується на поверхні тепловідводної матриці. Тобто, фактично, випромінювання відбувається в простір над нею - таку собі півсферу. Але таким чи однорідним буде цей самий пучок світла? Навіть не будучи великим фахівцем в області оптики, напрошується закономірний висновок: у центральній області він буде більш щільним, інтенсивним, а ближче до периферії ці показники плавно знижуються. Технологія виробництва випромінюючих діодів не передбачає зміни їх оптичної схеми: кристал зверху закритий первинної лінзою. Тобто, скорегувати її під конкретні умови експлуатації можна лише за допомогою вторинних елементів, наприклад, використовуючи світильник світлодіодний з відбивачем або лінзою.

Але навіть при використанні допоміжних елементів, один і той же світильник буде повністю задовольняти вимогам освітленості одного об'єкта і в той же час, повністю не відповідати іншому. Наприклад, прилади, прекрасно зарекомендували себе в умовах офісних, житлових, виробничих приміщень, аж ніяк не підходять для роботи в якості вуличних або тунельних прожекторів. Щоб оцінити їх оптичну ефективність вводиться поняття кривої сили світла (КСС).

КСС - це діаграма кутового розподілу світла в просторі. Вона являє собою двомірний графік, який, правда, не має класичних осей Х і Y. Координатна сітка має концентрично-кутову структуру:

• Промені, які розходяться від центру з кроком 10 °. Представляють кути поширення світла у вертикальній і горизонтальній площинах;
• Окружності. Відповідають значенням сили світла. Остання може бути представлена ​​в загальноприйнятих одиницях виміру (кд або Кандела в системі СІ) або відсотках / частках (від 0 до 1 або від 0 до 100%).

ДСТУ EN 60598-1 діє до: 2015 « світильники . Загальні вимоги та випробування »описує та графіки стандартних семи КСС: концентрованої (К), глибокої (Г), косинусной (Д), синусної (С), широкої (Ш), напівширока (Л), рівномірної (М). Кожна з них характеризується певними кутами розкриття потоку (зона, в якій спостерігається максимальна сила світла), і формою, за якою їх можна розділити на три основні типи:

• Вузькі. Графік є витягнутим уздовж вертикальної осі, тобто, кут розкриття знаходиться в межах 0 ... 40 ° (половинний кут - від 0 до 20 °). Очевидно, що до цієї групи можна віднести світильник, що володіє високою спрямованістю випромінювання, контрастністю. Використовувати його краще в приміщеннях з високими стелями, для точкового підсвічування об'єктів або поверхонь;
• Середні. При кутах розкриття від 40 ° до 100 ° графік відстоїть далі від вертикальної осі. Такі світильники мають м'який, насиченим світлом, рівномірно розподіленим яскравістю, а тому, прекрасно підходять для приміщень зі звичайною висотою (2,5 ... 2,7 м);
• Широкі. Такий графік по формі витягнуть вже уздовж горизонталі, що не дивно при робочих кутах понад 100 °. Прилади цього типу підійдуть для розміщення на низьких стелях, добре висвітлюючи при цьому не тільки підлогу, а й стіни.

Стандартні КСС використовуються в якості базових, але при проектуванні нових зразків обладнання їх форма може відрізнятися.

Світильник з відбивачем або лінзами?

Залежно від застосовуваних елементів вторинної оптики, можна отримати кілька основних типів світлового потоку, від прямого до розсіяного, і відбитого. У загальному випадку на вибір конкретного варіанту (лінзи, відбивача, розсіювача) або їх комбінації впливають такі критерії:

• Симетричність / асиметричність КСС. Яскравий приклад - вуличні, дорожні світильники, розташовані на стовпах. У вітчизняній практиці використовують симетричні лінзи (вісь світлового потоку приладу збігається з віссю випромінюючого елемента), а прилади розташовуються на похилих консолях. Тобто, перебуваючи на бічній частині дороги, вдається висвітлити всі полотно рівномірно. В Європі консоль зазвичай роблять горизонтальної, тому в приладі доводиться використовувати зміщують вісь лінзи або відбивачі;
• Оптична ефективність;
• Необхідний кут розкриття світлового потоку;
• Особливості монтажу, складання;
• Дизайн.

Крім того, на вибір лінзи або відбивача впливає конструкція джерела випромінювання - плати зі світлодіодами. Наприклад, якщо використовується мініатюрна збірка, в якій не більше 4 кристалів і є первинна лінза, то вторинна оптична система повинна бути переважно також линзовой. В цьому випадку, має місце фокусування променів, якими можна легко керувати в трьох площинах. Ефективність такої системи може досягати 85-90%.

Коли в якості випромінюючого елемента використовується велика збивання з кристалів, застосовувати лінзи не доцільно. Справа в тому, що її розміри також повинні бути пристойними, а конструкція - складної, що відразу ж впливає на загальну вартість приладу. У такій ситуації краще віддати перевагу відбивачам або їх системі. Виробник однозначно виграє в ціною , Температурних характеристиках світлодіодів. До того ж, не дивлячись на менш гнучку регулювання, ефективність такої системи також може досягати 90%.

Іноді, рішення складних завдань при проектуванні освітлення може зажадати комбінації обох типів вторинної оптики. Яскравим прикладом є автомобільна фара, в якій режими ближнього, далекого і денного світла забезпечуються і відбивачами, і лінзами.

Матеріали для виготовлення

Оптичні характеристики лінз і рефлекторів безпосередньо залежать від їх форми, оскільки так вдається домогтися необхідних кутів відбиття, заломлення, фокусування променів. Але не менш важливий і сам матеріал, в тому числі і з експлуатаційної точки зору. Наприклад, світлодіодний світильник, лінза якого виготовлена ​​із силікону, не змінює своїх оптичних властивостей аж до 300 ° С, але при цьому ніяк не піддається очищенню, особливо при серйозних забрудненнях.

Крім силікону, який також значно прискорює процедуру виготовлення лінз, для їх виробництва використовують:

• Полиметилметакрилат (ПММА). Термопластичний полімер, який в народі часто називають акриловим або органічним склом. Це досить легкий, стійкий до зміни температурно-вологісних режимів матеріал. Він легко обробляється, стійкий до агресивних речовин. Не пропускає інфрачервоне випромінювання;
• Полікарбонат. Ще один вид полімерного скла, що відрізняється винятковою механічною міцністю, довговічністю і високим світлопропускання (95-99%). Блокує проходження ультрафіолетових променів.

Що стосується відбивачів, то тут виробник не обмежений у виборі матеріалів. Виготовити його можна з пластика, металу і навіть ламінованої фанери, адже головне домогтися необхідної якості і форми поверхні рефракції. Як правило, вона повинна складатися з великої кількості дрібних граней, на які для поліпшення характеристик відбиваючих наноситься спеціальне дзеркальне покриття.