Модели оптических систем осветительных приборов

Model of optical systems of light devices


08.12.2016
 714

Выходные сведения:
Байнев В.В. Модели оптических систем осветительных приборов // ИТпортал, 2016. №4 (12). URL: http://itportal.ru/science/tech/modeli-opticheskikh-sistem-osvetite/

Авторы:
В. В. Байнев, аспирант кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления», институт электроники и светотехники, ФГБОУ ВО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва», г.Саранск, Российская Федерация, bw14a@mail.ru

Authors:
V.V. Baynev, graduate student, Department of Automated information processing systems and Management, Institute of Electronic and Light Engineering, National Research Mordovia State University, Saransk, Russia

Ключевые слова:
модель, светодиод, оптическая система, линза, отражатель, расчет, моделирование, диаграмма

Keyword:
model; LED; optical system; lens; reflector; calculation; modeling; diagram

Аннотация: 
В статье описано применение и основные преимущества светодиодных источников света и осветительных приборов на их основе. В работе рассмотрены проблемы проектирования современных световых приборов и их оптических систем. Проанализированы особенности применения вторичных оптических элементов в виде линз и отражателей для получения различных диаграмм направленности излучения светодиодов в пространстве. Сформулированы требования, предъявляемые к оптическим элементам.

Анализ развития световых приборов показывает, что основным этапом в их разработке является расчет оптической системы. Результаты такого расчета во многом определяют светотехнические и функциональные характеристики светильников. Эффективность существующих методов расчета не всегда устраивает разработчиков приборов. Применение и разработка специализированного программного обеспечения для расчета и моделирования световых приборов существенно облегчает и ускоряет процесс их проектирования. Рассмотрены особенности и проблемы расчета и построения моделей оптических систем осветительных приборов.

Annotation: 
The article describes the use and the main advantages of LED light sources and lighting devices based on them. The paper considers the problem of designing modern lighting devices and optical systems. Analysis of the development of lighting devices shows that the main stage in their development is the calculation of the optical system.

The results of this calculation largely determine the lighting and functional characteristics of light devices. The efficiency of existing methods of calculation are not always satisfied of the development. Application and development of specialized software for the calculation and simulation of light devices significantly facilitates and speeds up the process of their design. The article describes optical systems for lighting fixtures with modern light sources. The features of the secondary use of the optical elements in the form of lenses and prisms for different LED emission patterns in space. The requirements imposed on the optical elements. The features and problems of calculation and modeling of optical systems lighting.

Модели оптических систем осветительных приборов


Светотехнические устройства являются важным элементом большого числа технических систем, включающих дорожное, жилое, промышленное освещение, светотехнические системы транспортных средств и т.д. [1].

Светодиодная промышленность во всем мире стала в последние годы одним из самых быстро развивающихся секторов экономики. В настоящее время светодиоды, используемые для освещения, занимают наряду с другими источниками уверенную позицию на рынке осветительных систем [2]. Светодиодные светильники, прожекторы и другая осветительная техника, получившие широкое распространение, активно применяются для создания искусственного освещения, декоративной подсветки, для ландшафтного и архитектурного освещения, при оформлении рекламных объектов. Основные свойства светодиодов (СД), которые в ближайшем будущем сделают их самыми экономичными по сравнению с другими источниками света: высокая световая отдача; малые энергопотребление и габариты; высокая долговечность; отсутствие пульсации светового потока; возможность получения излучения различного спектрального состава; высокая устойчивость к внешним воздействиям (температуре, вибрации, ударам, влажности); электробезопасность и взрывобезопасность; высокая степень управляемости (возможность построения систем многоуровневого управления освещением) и пр. [3-5]

Каждые полгода параметры светодиодов и светотехнических устройств на их основе становятся на новый количественный уровень по световой отдаче, мощности излучения и световому потоку, цветовым характеристикам. По оценке компании Philips [6] ожидается снижение себестоимости СД и прогнозируется, что к 2020 г. светодиодные источники света и световые приборы на их основе займут 75 % светотехнического рынка.

Светодиоды как источники света начали применяться в 60-х годах ХХ века. Принцип действия светодиодов как полупроводниковых приборов основан на преобразовании электрической энергии непосредственно в световое излучение. Механическая конструкция светодиода определяет распределение света в пространстве. Для обычного освещения интерес представляют только светодиоды с током питания более 100 мА, световой поток которых составляет более 10 лм, которые излучают белый свет.

Широкое применение светодиодов в системах подсветки, освещения и индикации делает актуальным расчет и проектирование светодиодных оптических систем, обладающих высокой световой эффектностью и широкими возможностями контроля энергетических характеристик излучения [7-9].

Использование светодиодов в системах освещения требует применения вторичной оптики, назначение которой – направлять излучённый светодиодом световой поток в заданную область пространства и обеспечивать формирование в этой области требуемого распределения освещённости [10-11]. В последнее время стремительно нарастает заинтересованность ведущих мировых производителей источников света и потребителей в замене традиционных ламп накаливания, а также люминесцентных ламп дневного света на светодиодные световые приборы, основу которых составляют полупроводниковые светодиоды, объединенные в светодиодные модули (СДМ) (рис. 1). Развитие в данном направлении затруднено в связи с отсутствием методов расчета светотехнических характеристик СДМ и систематизированной информации по световой эффективности СД, что также вызвано недостаточным прогрессом в международной стандартизации и наличием дефицита в специальном измерительном оборудовании. Поэтому актуальной является задача моделирования светотехнических характеристик СД и СДМ именно на стадии проектирования осветительных приборов (ОП).

 

Рис. 1. Светодиодные модули

Светодиод обладает косинусным светораспределением, но для освещения помещений с высокими пролетами или улиц такое светораспределение не подходит. Для создания энергоэффективного освещения требуется специализированная оптика. Вторичная оптика – линза или зеркальный отражатель из пластика, монтирующийся на один или группу светодиодов, представляет отдельный компонент, не являющийся частью светодиода. Использование вторичной оптики позволяет решить задачи: позволяет изменить светораспределение СД, например, сосредоточить излучение в нужном угле или сделать его несимметричным; перенаправляет весь световой поток от светодиода в освещаемую область, повышая эффективность светотехнического устройства и понижая его стоимость; позволяет сформировать требуемое распределение освещенности, соответствующее всем стандартам освещения. Правильно подобранная оптика позволяет существенно увеличить плотность светового потока диода и более точно приспособить его работу для решаемой технической задачи.

Популярность линз объясняется большим удобством и относительной простотой формирования требуемого светового пучка, т. к. управление излучением осуществляется тремя плоскостями: двумя преломляющими поверхностями на входе и выходе излучения и одной отражающей поверхностью линзы. Однако проектирование таких коллиматоров представляет достаточно сложный процесс. Кроме того проблематичным оказывается их применение для больших СД.

Проектирование и производство современных оптических систем  требует моделирования сложных физических явлений. Модели распространения света в светорассеивающих элементах являются частью сис­тем оптического моделирования. Расчет и моделирование вторичной оптики светодиодов является одной из наиболее сложных задач, возникающих в светотехнике [14, 15, 16].

Для автоматизации процесса проектирования ОП разработан программный комплекс в виде автоматизированного рабочего места инженера-проектировщика. Данный комплекс позволяет полностью автоматизировать разработку светильников, в том числе с различными типами светораспределения. Для этого удобно использовать заранее заготовленные оптические системы, т.е. загружать их из базы данных и варьировать их для определенных приборов с заданными кривыми силы света (КСС). На рис. 2 представлены модели вторичной светодиодной оптики с поверхностями сферической и свободной формы, разработанные в программном комплексе, для обеспечения соответствующих КСС. На рис. 3-4 показаны трассировка лучей для этих систем и полученные для них светораспределения.

   

Рис. 2. Модели вторичной светодиодной оптики




Рис. 3. Пример расчета и моделирования вторичной сферической светодиодной оптики


Рис. 4. Пример расчета и моделирования вторичной светодиодной оптики свободной формы

Заключение

Использование светодиодов в системах освещения требует применения вторичной оптики – линзовой и отражательной, которая позволяет изменить светораспределение светодиода, повышает эффективность светотехнического устройства в целом, формирует требуемое распределение освещенности. Актуальной является задача расчета и моделирования светотехнических характеристик светодиодов и светодиодных модулей на стадии проектирования ОП. С этой целью предложен специализированный программный комплекс, который позволяет значительно облегчить процесс проектирования оптических светодиодных систем и повысить их качество.


Библиографический список


1. Бугров В. Е., Ковш А. Р., Одноблюдов М. А. Освещение светодиодами в России и мировые тенденции рынка светодиодов // Светотехника. – 2010. – №4. – С. 42-46.
2. Айзенберг Ю. Б. Задача стимулирования производства и применения энергоэффективных светотехнических изделий // Светотехника. – 2009. –№2. – С. 23-25.
3. Айзенберг Ю. Б. Современные проблемы энергоэффективного осве-щения // Энергосбережение. – 2009. – №1. – С. 42-47.
4. Айзенберг Ю. Б. Формирование светотехнического рынка России для повышения эффективности освещения // Светотехника. – 2009. – №6. – С. 11-14.
5. Байнева И.И., Байнев В.В. От ламп накаливания к энергоэкономич-ным источникам света: аспекты перехода // Фотоника. – 2011. Т.30. – № 6. – С.30-33.
6. Боровков С. А. Опыт Philips Lighting в применении светодиодов для освещения объектов различного назначения // Светотехника. – 2011. – № 3. – С.18-22.
7. Байнева И.И., Байнев В.В. Продукция светотехнической промышленности России: проблемы энергосбережения и энергоэффективности // Научные исследования и разработки. Экономика фирмы. – 2014. – № 2 (7). – С.4-7.
8. Байнева И.И., Байнев В.В. Аспекты разработки энергоэффективных светотехнических изделий для решения задач повышения энергосбережения // Вестник Мордовского университета. – 2014. – № 1-2. – С. 76-80.
9. Байнева И.И., Байнев В.В. Энергоэффективные источники света и световые приборы для решения задач повышения энергосбережения // Справочник. Инженерный журнал с приложением. – 2014. – № 9 (206). – С. 62-64.
10. Bayneva I. I. Concerns Of Design Of The Energy-Efficient Fixtures // International Journal of Applied Engineering Research. 2015, Vol.10, pp. 6479-6487.
11. Bayneva I. I. Study and review of optical systems for light emitting di-odes // International Journal of Pharmacy & Technology. 2016, Vol. 8, no.3, pp. 15304-15309.
12. Цюпак Ю.А. Оптические системы светодиодных световых прибо-ров. Саранск, - 2009. – 38 с.
13. Байнева И.И., Байнев В.В. Программная модель для оценки эффек-тивности и надежности светодиодных источников света и приборов // Полупроводниковая светотехника. – 2011. Т.3. – №11. – С.40-42.
14. Федосин С.А., Байнев В.В. Геометрические модели и их программ-ная реализация для компьютерного исследования и проектирования световых приборов // Вестник компьютерных и информационных технологий. – 2016. – №6. – С. 35-40.
15. Горшков Д.О. Классификация прогнозов в электроэнергетике // ИТпортал, 2015. №4 (8). URL: http://itportal.ru/science/science/economy/klassifikatsiya-prognozov-v-elektro/
16. Ганин Е.В. Разработка математического и программного обеспечения для комплексов интеллектуального управления системами освещения зданий и помещений // Иннов: электронный научный журнал, 2015. №1 (22). URL: http://www.innov.ru/science/tech/reyting-mobilnykh-operatorov-nizhegorodskoy-oblasti-po-populyarno/


References


1. Bugrov V. E., Kovsh A. R., Odnoblyudov M. A. Osveshchenie svetodiodami v Rossii i mirovye tendencii rynka svetodiodov. Svetotekhnika. 2010. No4. P. 42-46.
2. Ajzenberg Y.B. Zadacha stimulirovaniya proizvodstva i primeneniya ehnergoehffektivnyh svetotekhnicheskih izdelij. Svetotekhnika. 2009. No2. P. 23-25.
3. Ajzenberg Y.B. Sovremennye problemy ehnergoehffektivnogo osvesh-cheniya. Energosberezhenie. 2009. No1. P. 42-47.
4. Ajzenberg Y.B. Formirovanie svetotekhnicheskogo rynka Rossii dlya povysheniya ehffektivnosti osveshcheniya. Svetotekhnika. 2009. No6. P. 11-14.
5. Bayneva I. I., Baynev V.V. Ot lamp nakalivaniya k ehnergoehkonomichnym istochnikam sveta: aspekty perekhoda. Fotonika. 2011. Vol.30. No6. P.30-33.
6. Borovkov S. A. Opyit Philips Lighting v primenenii svetodiodov dlya osvescheniya ob'ektov razlichnogo naznacheniya. Svetotehnika. 2011. No3. P.18-22.
7. Bayneva I. I., Baynev V.V. Produkciya svetotekhnicheskoj promyshlennosti Rossii: problemy ehnergosberezheniya i ehnergoehffektivnosti. Nauchnye issledovaniya i razrabotki. Ekonomika firmy. 2014. No 2(7). P.4-7.
8. Bayneva I. I., Baynev V. V. Aspektyi razrabotki energoeffektivnyih svetotehnicheskih izdeliy dlya resheniya zadach povyisheniya energosbere-zheniya. Vestnik Mordovskogo universiteta. 2014. No1-2. P. 76-80.
9. Bayneva I. I., Baynev V. V. Energoeffektivnyie istochniki sveta i svetovyie priboryi dlya resheniya zadach povyisheniya energosberezheniya. SPRAVOCHNIK. Inzhenernyi zhurnal s prilozheniem. 2014. No9(206). P. 62-64.
10. Bayneva I. I. Concerns Of Design Of The Energy-Efficient Fixtures. International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol.10. P. 6479-6487.
11. Bayneva I. I. Study and review of optical systems for light emitting diodes. International Journal of Pharmacy & Technology. 2016. Vol. 8. No.3. P. 15304-15309.
12. Cjupak Ju.A. Opticheskie sistemy svetodiodnyh svetovyh priborov. Saransk. 2009. 38 p.
13. Bayneva I. I., Baynev V. V. Programmnaya model' dlya ocenki ehffektivnosti i nadezhnosti svetodiodnyh istochnikov sveta i priborov. Poluprovodnikovaya svetotekhnika. 2011. Vol.3. No11. P.40-42.
14. Fedosin S.А., Baynev V. V. Geometricheskie modeli i ih pro-grammnaya realizaciya dlya komp'yuternogo issledovaniya i proektirovaniya svetovyh priborov. Vestnik komp'yuternyh i informacionnyh tekhnologij. 2016. No6. P. 35-40.
15. Gorshkov D.O. Klassifikacija prognozov v jelektrojenergetike // ITportal, 2015. №4 (8). URL: http://itportal.ru/science/science/economy/klassifikatsiya-prognozov-v-elektro/
16. Ganin E.V. Razrabotka matematicheskogo i programmnogo obespechenija dlja kompleksov intellektual'nogo upravlenija sistemami osveshhenija zdanij i pomeshhenij // Innov: jelektronnyj nauchnyj zhurnal, 2015. №1 (22). URL: http://www.innov.ru/science/tech/reyting-mobilnykh-operatorov-nizhegorodskoy-oblasti-po-populyarno/

© 2002-2017 электронный научный журнал «ИТпортал», публикация хороших научных статей по ИТ, 16+
Свидетельство Управления Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и
массовых коммуникаций по Приволжскому федеральному округу ИА № ТУ 52-01110 от 24 февраля 2016 г.
ISSN 2414-5688


Яндекс.Метрика