СВЕТОДИОДНЫЙ  СВЕТИЛЬНИК  ОТРАЖЕННОГО  СВЕТА

Насибуллин  Рустем  Анасович

канд.  техн.  наук,  директор  филиала  ОАО  «ПО  «УОМЗ»  «УОМЗ  —  Институт  прикладной  оптики»,  РФ,  г.  Казань,

E-mail:  uomz-ipo@yandex.ru

Кокутин  Сергей  Николаевич

канд.  геол.-минерал.  наук,  начальник  сектора  филиала  ОАО  «ПО  «УОМЗ»  «УОМЗ  —  Институт  прикладной  оптики»,  РФ,  г.  Казань

E-mail:  uomz-ipo@yandex.ru

REFLECTED  LIGHT  LED-LAMP

Nasibullin  Rustem

candidate  of  technical  science,  director  of  the  branch  of  JSC  “PA  “UOMZ”  “UOMZ  —  Institute  of  applied  optics”,  Russia,  Kazan

Kokutin  Sergey

candidate  of  geological-mineralogical  science,  head  of  sector  of  the  branch  of

JSC  “PA  “UOMZ”  “UOMZ  —  Institute  of  applied  optics”,  Russia,  Kazan

АННОТАЦИЯ

В  работе  приведены  результаты  проектирования  подвесного  светодиодного  светильника  отраженного  света,  предназначенного  для  общего  освещения  общественных  зданий  и  жилых  помещений.  Осветительное  устройство  формирует  равномерное  поле  яркости,  комфортное  для  человеческого  зрения.  Реализован  эффект  маскирования  светильника  за  счет  обеспечения  одинаковой  яркости  плафона  и  освещенной  части  потолка.

ABSTRACT

In  this  workе  there  are  presented  the  results  of  design  of  the  suspended  reflected  light  LED-lamp  intended  for  common  lighting  of  public  buildings  and  living  spaces.  The  lighting  unit  generates  a  uniform  field  of  brightness  comfortable  for  human  vision.  The  lamp  the  masking  effect  is  realized  owing  to  the  identical  brightness  of  the  plafond  and  illuminated  part  of  the  ceiling.

Ключевые  слова:  светильник;  светодиод;  вторичная  оптика;  кривая  силы  света;  яркость.

Keywords:  luminaire;  LED;  secondary  optics;  luminous  intensity  curve;  brightness.

В  настоящее  время  во  всем  мире  большое  внимание  уделяется  созданию  комфортного  и  качественного  освещения.  В  офисных  помещениях  световые  приборы  должны  создавать  удобную  и  спокойную  рабочую  атмосферу.  В  лечебных  учреждениях  и  жилых  зданиях  общее  освещение  должно  обеспечивать  зрительный  и  психологический  комфорт  [4,  с.  233].  В  этой  связи  актуальной  представляется  задача  проектирования  светильников,  формирующих  максимально  благоприятное  и  равномерное  распределение  яркости  в  поле  зрения  человека. 

Известно,  что  система  отраженного  излучения  является  наиболее  благоприятной  с  точки  зрения  ограничения  прямой  и  отраженной  блёскости  [6,  с.  207].  При  данном  классе  светораспределения  не  менее  80  %  светового  потока  направляется  на  потолок  и  верхнюю  часть  стен  помещения,  которые  для  обеспечения  приемлемого  КПД  светильника  должны  иметь  высокие  коэффициенты  отражения.

С  целью  получения  мягкого  рассеянного  освещения  с  низкой  величиной  приведённой  габаритной  яркости,  предложено  техническое  решение,  которое  заключается  в  использовании  схемы  отраженного  света  и  реализации  эффекта  маскирования  подвесного  светильника  за  счет  одинаковой  яркости  его  плафона  и  освещенной  части  потолка.  В  качестве  плафона  используется  замкнутый  диффузный  рассеиватель  из  глушеного  (молочного)  стекла,  исключающий  прямую  блёсткость  светильника.  Равномерная  яркость  потолка  (в  диапазоне  рабочих  углов)  обеспечивается  применением  излучающих  в  верхнюю  полусферу  светодиодов,  имеющих  вторичную  оптику  со  специально  рассчитанной  формой  кривой  силы  света  (КСС).

Существует  решение  задачи  равномерного  освещения  рабочей  площадки  за  счет  установки  светодиодов  на  конусообразный  корпус  светильника  [3,  с.  31].  Однако  конструкция  такого  светильника  нам  представляется  нетехнологичной.  Тем  более  что,  в  связи  с  бурным  развитием  производства  оптических  компонентов  для  полупроводниковых  источников  света,  стало  возможным  получение  заданного  распределения  освещенности  с  помощью  недорогой  интегрированной  или  внешней  светодиодной  оптики.

Исходя  из  условия  равномерной  освещенности  горизонтальной  поверхности  потолка,  было  определено  требуемое  распределение  силы  света,  представляющее  собой  широкую  КСС  специальной  формы,  и  подобрана  вторичная  оптика  для  светодиодов  —  линза  Carclo  10406  семейства  Ultra  Wide  [5,  с.  15].  Этот  оптический  элемент  имеет  угол  половинной  яркости  (FWHM)  130º,  изготавливается  из  поликарбоната  и  имеет  полусферическую  внешнюю  форму  (Bubble)  с  диаметром  20  мм.  Bubble-оптика  от  Carclo  хорошо  оптимизирована  для  мощных  светодиодов  XLamp  компании  Cree  семейства  XP  с  габаритами  3,5×3,5×2  мм. 

Расположение  излучающих  в  верхнюю  полусферу  светодиодов  (Cree  XLamp  XP-G)  выбрано  кольцевым  с  равномерным  распределением  вдоль  окружности  диаметром  150  мм.  Результаты  моделирования  для  кольца  из  6  светодиодов  с  линзами  Carclo  10406  и  длины  подвеса  0,5  м,  выполненного  с  помощью  специализированного  программного  обеспечения  TracePro  [1,  с.  542],  показали  высокую  равномерность  формируемого  распределения  освещенности  на  рабочей  площадке:  .

С  учётом  требований  к  световому  распределению  светильника  и  ряда  конструктивных  соображений,  в  качестве  формы  плафона-рассеивателя  была  выбрана  усечённая  сфера  со  следующими  размерами:  диаметр  0,23  м,  высота  0,075  м  и  радиус  сферической  образующей  0,12  м.  Для  определения  необходимой  диаграммы  направленности  излучающего  в  нижнюю  полусферу  светодиодного  модуля  была  рассчитана  зависимость  оптической  длины  хода  лучей  в  плафоне  (из  центра  светодиода)  от  угла  излучения.  Получен  график  кривой  силы  света,  формирующей  равномерную  засветку  внутренней  поверхности  плафона,  и  выбрана  вторичная  оптика  для  освещающего  плафон  светодиода  (Cree  XLamp  XP-E).  Это  линза  Carclo  10620  Hemispherical  Bubble  [2,  с.  23],  которая  имеет  диаметр  20  мм  и  обеспечивает  световой  пучок  с  равномерным  распределением  силы  света  в  телесный  угол  180º. 

С  помощью  программы  TracePro  проведено  моделирование  освещенности  на  внутренней  поверхности  плафона-рассеивателя  из  молочного  стекла.  При  моделировании  взаимодействия  светового  потока  с  диффузной  поверхностью  плафона  в  качестве  двунаправленной  функции  распределения  рассеяния  BSDF  использовалась  оптическая  модель  ABg  [1,  с.  547].  Рассчитанное  с  учетом  явления  многократного  отражения  распределение  освещенности  на  сферической  поверхности  характеризуется  высокой  равномерностью:  .  Следовательно,  диффузный  световой  поток,  выходящий  из  плафона,  имеет  равномерную  яркость  по  всей  его  поверхности.

Одним  из  требований  комфортного  освещения  является  обеспечение  высокой  равномерности  яркости  источника  света.  Чтобы  минимизировать  неравномерность  яркости,  обусловленную  разностью  яркости  освещённой  части  потолка  и  плафона,  необходимо  использование  системы  регулирования  светового  потока.  Для  этого  используется  замкнутая  система  автоматического  регулирования  светового  потока  плафона.  Данная  электронная  система  регулирования  измеряет  значения  яркости  потолка  и  плафона  и  выдаёт  их  разностный  сигнал  на  диммируемый  импульсный  регулятор  тока  светодиода,  освещающего  плафон.  Эта  система  позволяет  подстраивать  яркость  плафона  под  яркость  освещённой  части  потолка.  Таким  образом,  обеспечивается  высокая  равномерность  яркости  источников  света  и  достигается  эффект  маскирования  плафона  яркостью  освещённой  части  потолка. 

В  программе  TracePro  была  выполнена  визуализация  поля  яркости,  создаваемого  светильником  (см.  рисунок  1а),  которая  подтвердила  одинаковую  яркость  потолка  и  плафона,  а  также  ее  равномерное  распределение  по  сцене.  Для  сравнения  на  рисунке  1б  приведен  вариант  исполнения  светильника,  в  котором  в  качестве  источника  света  применена  обычная  лампа  накаливания.  Без  специальной  оптики,  формирующей  световой  поток,  яркость  плафона  существенно  выше  яркости  слабоосвещенного  потолка.

Рисунок  1.  Результаты  моделирования  светильников:  а)  светодиодный  светильник  с  равномерным  распределением  светового  потока;  б)  светильник  с  обычной  лампой  накаливания

На  рисунке  2  представлена  схема  построения  подвесного  светильника  для  общего  освещения  помещений,  обеспечивающая  заявленные  характеристики.

Рисунок  2.  Схема  построения  светильника  отраженного  света:  1  —  плафон;  2  —  плата-основание;  3  —  светодиод  с  вторичной  оптикой,  освещающий  плафон;  4  —  светодиоды  с  вторичной  оптикой,  освещающие  потолок

Результаты  расчетов  и  моделирования  светодиодного  светильника  подтверждают,  что  достигаются  необходимые  параметры  осветительной  установки:  1)  равномерное  поле  яркости,  2)  отсутствие  слепящего  эффекта,  3)  низкая  габаритная  яркость.  Показана  реализуемость  идеи  маскирования  светодиодного  светильника  яркостью  потолка  даже  с  использованием  серийно  производимых  линз.  Применение  специальной  вторичной  оптики  позволяет  максимально  эффективно  использовать  весь  формируемый  световой  поток  для  обеспечения  психологически  благоприятного  ощущения  насыщенности  помещения  светом.  Благодаря  инновационному  решению  обеспечивается  комфортное  рассеянное  освещение,  имитирующее  освещение  дневным  небом.  Это  актуально  с  точки  зрения  современных  гигиенических  требований,  так  как  позволяет  приблизить  искусственную  световую  среду  к  естественной.  Разработанный  светильник  может  использоваться  для  освещения  жилых  и  общественных  помещений:  больничные  палаты,  офисы,  зрительные  и  конференц-залы,  холлы,  вестибюли,  выставочные  павильоны,  рекреации.

Список  литературы:

1.Алямовский  А.А.  и  др.  SolidWorks.  Компьютерное  моделирование  в  инженерной  практике.  СПб.:  БХВ-Петербург,  2005.  —  800  с.

2.Балашов  А.  Фокусируя  свет:  оптика  от  Carclo  //  Новости  электроники  +  Светотехника.  —  2010.  —  №  1.  —  С.  21—24.

3.Калугин  А.И.,  Жигалов  В.А.,  Пряхин  В.В.  Светодиодный  светильник  равномерного  освещения  //  Успехи  современного  естествознания.  —  2012.  —  №  6.  —  С.  31—32.

4.Кнорринг  Г.М.  Осветительные  установки.  Л.:  Энергоиздат.  Ленингр.  отд-ние,  1981.  —  288  с.

5.Новиков  М.  Обзор  вторичной  оптики  Carclo,  Ledil,  Ledlink  //  Современная  светотехника.  —  2013.  —  №  2.  —  С.  14—19.

6.Тищенко  Г.А.  Осветительные  установки.  М.:  Высшая  школа,  1984.  —  246  с.