Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2009 №2

Основные задачи расчета и проектирования световой части светодиодных приборов

Цюпак Юрий


Светодиоды, которым пророчат перспективное будущее, обладают рядом особенностей по сравнению с другими источниками света или световыми приборами: это ограниченный выход света из полупроводниковой структуры, одностороннее излучение, наличие оптических контактов и др. Все это требует особой внешней оптики, ряду проблем создания которой посвящена статья.

Предложена и исследована конструкция полноохватной твердотельной зеркально-линзовой оптической системы узкоизлучающего светодиода (прожектора), содержащая центральную линзу и прозрачное тело, ограниченное с лицевой стороны плоской поверхностью, а с тыльной — зеркальным параболоидом. Причем толщина прозрачного тела по оптической оси равна половине фокусного расстояния параболоида, а светодиод (чип) располагается на его вершине, свободной от отражающего слоя. Проведено макетное исследование зеркальной системы, показавшее ожидаемые результаты. Тема, вынесенная в заголовок, связана, прежде всего, с особенностями новых источников светодиодов. Эти устройства вносят свою специфику даже в классификацию элементов светотехники. В самом деле, возникает вопрос: светодиод — это источник света или световой прибор? Если это источник света, то почему говорят о его светораспределении? А если это световой прибор, то к какому классу его отнести и что в нем является источником света? А прозрачная пластмассовая оболочка светодиода — это что? Его корпус? Его светоперераспределяющее устройство? И то, и другое…

Последнее связано с особенностями полупроводниковой структуры чипа. В принципе, это двойной гетеропереход, разделяющий три широкозонных слоистых полупроводника, из которых лишь средний является излучающим. По толщине этих слоев чип можно отнести к нанообъектам, а по его технологии — к нанотехнологии. Но не менее важно здесь иное. Используемые полупроводники должны быть прозрачными для излучаемого света, а следовательно — широкозонными (ΔE = 2–3 эВ и более), для которых характерен большой показатель преломления (n = 2,5–3,5). Это приводит к малому критическому углу полного внутреннего отражения, а значит, затрудняет выход света из чипа в воздушную среду, ограничивая его несколькими процентами. Для увеличения этого выхода света в светодиоде применяют ряд мер, в частности:

  • уменьшают площадь чипа, увеличивая выход света через его боковую поверхность;
  • используют промежуточную по показателю преломления среду в виде пластмассового корпуса (своеобразная сфера Вейерштрасса);
  • обеспечивают оптический контакт между корпусом и чипом с помощью дисперсионной жидкости.

Все это в совокупности является световыводящей системой, что отличает светодиод от других источников света или световых приборов и делает ее неотделимой от светораспределяющего устройства (корпуса). К тому же, и сам чип снабжают кольцевым конусным отражателем вокруг кристалла. Поэтому если чип считать источником света в светодиоде как световом приборе, то его светораспределение на воздухе отличается от светораспределения в прозрачном корпусе. Это же относится и к световым потокам, что вызывает затруднение в определении коэффициента усиления светодиода, его КПД. Хотя светоотдача вполне определима: она выше, чем у других источников света (100–150 лм/Вт), и на тепловой режим приходится меньшая доля подводимой энергии, стремление к повышению светового потока через чип приводит к максимальной плотности тока, что делает его работу критичной в отношении к тепловому режиму. И как следствие возникает проблема обеспечения его облегчения, теплорассеивающем режиме чипа и окружающего устройства. В этом плане играет роль и увеличение угла охвата чипа светораспределяющим устройством, что уменьшает потери света в корпусе и, следовательно, его нагрев.

Переходя к практическим вопросам световой части светодиодного светового прибора, можно выделить следующие общие возможные варианты ее светораспределяющего устройства:

  • светораспределяющее устройство одиночного светодиода;
  • светораспределяющее устройство светодиодного модуля, то есть группы светодиодов;
  • внешнее светораспределяющее устройство светодиода и модуля.

В настоящее время широкое распространение получили линзовые оптические системы светодиода как наиболее простые и технологичные, с разным полезным углом рассеивания (от 2 до 60o). Их основным недостатком является ограниченный угол охвата с соответствующими световыми потерями, особенно для узкоизлучающих светодиодов.

Попытка использования зеркальной системы для узкоизлучающего светодиодного светового прибора при традиционном подходе требует учета особенностей светодиода при размещении его в фокусе параболоидного отражателя. Это затрудняет рациональную компоновку световой части зеркального светодиодного прожектора, ее монтаж и обслуживание. Частично эти недостатки преодолеваются, если для жесткости конструкции полость параболоидного отражателя заполнить прозрачным телом (стеклом, пластмассой), и его плоскость должна быть перпендикулярна оси параболоида. Однако часть перечисленных задач остается нерешенной, а световой прибор получается излишне утяжеленным. Некоторые авторы предложили усложненные оптические системы светодиодного прожектора [1], с ориентацией светодиода в сторону выходного отверстия. Однако и эти предложения имеют свои недостатки: то «три поверхности сложной асферической формы» без уточнений; то чип в фокусе параболоида с малым фокусным расстоянием, с углом охвата горловины 180o и глубоко утопленной линзой с эллиптической поверхностью; то система с трехкратным отражением лучей, параболической и двумя коническими поверхностями. Все три оптические системы крупногабаритны (относительно фокусного расстояния) и сложны в изготовлении (мы здесь не касаемся других недостатков статьи [1]).

Предлагая свое решение задачи, мы обратили внимание на тот оптический факт, что лучи, исходящие из чипа в сторону прозрачной плоскости, расходятся после отражения от нее за пределами критического угла, как бы исходя из мнимого изображения чипа в этой плоскости. Если эту точку совместить с фокусом параболоидного отражателя, то последний будет отражать эти лучи вдоль оптической оси. Это совмещение легко осуществить с учетом взаимного расположения фокуса, прозрачной плоскости и положения чипа. В соответствии с законом отражения расстояние от фокуса отражателя до рассматриваемой плоскости должно быть равно расстоянию от плоскости до чипа. В конечном итоге было решено [2] разместить чип на вершине отражателя, а плоскость — на середине его фокусного расстояния. Центральная линза перекрывает углы падения лучей на плоскость, меньшие критического угла полного внутреннего отражения, ее фокусное расстояние равно половине фокусного расстояния параболоидного отражателя.

Получается твердотельная компактная оптическая система (рис. 1), геометрия которой определяется только фокусным расстоянием отражателя. Угол ее охвата составляет 2.max = 141o. Часть излучения чипа (в пределах углов φmax = 70,5–90o) падает на параболоидный отражатель и рассеивается им, что нежелательно.

Для предотвращения этого предложено [3] на неосвещенной зоне параболоидного отражателя устроить дополнительный кольцевой параболоидный отражатель, как показано на рис. 2, — с фокусом в центре чипа. Таким образом, угол охвата предложенной оптическойсистемы светодиодного прожектора доводится до полного для светодиода:

max = 180o = 2π рад.

Тепловой режим светодиода с такой оптической системой обеспечивается выносом чипа с теплосъемником за габариты системы. Профиль центральной линзы был рассчитан и построен графоаналитическим способом и близок к эллиптическому. Принципиально эта часть оптической системы не отличается от традиционного купола корпуса узкоизлучающего светодиода. Поэтому в качестве промежуточного решения задачи совершенствования оптической системы светодиода можно предложить улучшающую кольцевую насадку к обычному светодиоду, имеющему параболоидный отражатель, с фокусным расстоянием, равным удвоенному промежутку между чипом и основанием купола светодиода. Диаметр такой насадки меньше тройного диаметра светодиода (2,85f, рис. 2). Такая насадка должна закрепляться на корпусе светодиода на расчетной высоте с помощью оптического клея.

Размеры оптической системы при необходимости могут быть изменены с помощью масштабного коэффициента, равного отношению требуемого фокусного расстояния (f) к известному (f0).

Кстати, при одинаковом угле охвата 2φmax = 2. предлагаемая оптическая система в несколько раз компактнее рассмотренных в [1], при равных фокусных расстояниях. Прожекторные оптические системы привлекают особое внимание еще и потому, что на их основе можно построить светораспределяющие устройства других классов световых приборов. Это же относится и к светодиодным системам. Особенно это видно на примере плоских прожекторных светодиодных модулей. Если перед таким узкоизлучающим светодиодным модулем поставить конденсорную линзу, можно получить световой концентратор проектора [4].

Если перед ним на некотором расстоянии поставить отражатель-рассеиватель, можно получить известный светильник наружного освещения с прожекторной частью внизу опоры (излучением вверх) и отражателем на ее вершине. Концентратор света можно получить и с помощью сегмента сферической вогнутой основы светодиодного модуля, где лучи светодиодов сходятся в центре сферы [5]. Кстати, такой сферический концентратор может быть использован для увеличения световой мощности рассмотренной ранее твердотельной оптической системы. Для этого вокруг вершины параболоидного отражателя необходимо выбрать полусферическую полость, а одиночный светодиод заменить полусферическим модулем с узкоизлучающими светодиодами, направляющими излучение в центр модуля, совмещенного с вершиной отражателя и центром выемки. Такое устройство будет работать как прожектор увеличенной (по числу светодиодов) мощности, но избежать недостатков, присущих одиночным светодиодам, в этом случае не удастся. Излучение светодиодов не будет изменять своего направления, проходя через поверхность полости, так как угол падения везде будет равен нулю. Однако более подходящими для этой цели были бы не узкоизлучающие светодиоды, а светодиоды, концентрирующие свет в центре модуля. Оптическую систему с такой выемкой с не меньшим эффектом можно использовать не только со светодиодами, но и с другими подходящими источниками света, например, с лампами накаливания или с ксеноновыми лампами, особенно с контр-отражателями [3] (рис. 3).

Несмотря на очевидность действия предлагаемой оптической системы, была проведена экспериментальная проверка ее работы, особенно ее отражательной части — поскольку линзовая не вызывает вопросов.

Не имея возможности изготовить опытный образец стекловидного тела нужной формы, мы прибегли к его макетированию на жидкой модели. Для этого использовался зеркальный параболоидный отражатель от прожектора ПЗС45 (рис. 4).

Отражатель был установлен на основании строго горизонтально, с вертикальным положением оптической оси. Его вершину освободили от зеркального покрытия и под ней поместили светодиод с удаленной купольной частью (почти до чипа) с иммерсионной прослойкой. Над вершиной отражателя расположили круглый черный экран соответствующего размера, для исключения светового потока светодиода, который приходился на отсутствующую линзу. Для удобства измерений над параболоидным отражателем установили поворотное зеркало, отражавшее вертикальный поток горизонтально на экран, который находился на расстоянии 8–9 м от источника света.

В ходе эксперимента в отражатель наливалась вода в качестве оптического заменителя твердого прозрачного тела. Предварительно по диаметру и глубине отражателя рассчитывалось его фокусное расстояние. В ходе эксперимента определялась зависимость величины светового пятна на экране от уровня воды в отражателе над его вершиной. Выяснилось, что размер этого пятна — наименьший (соизмеримый с размером зеркала воды), когда высота уровня воды практически равна половине фокусного расстояния отражателя. Что и требовалось доказать.

Переходя к собственно светильникам и их световым частям, можно отметить много вариантов, позволяющих решать самые сложные светотехнические и эстетические задачи, сводящиеся к форме основы модуля и расчету количества светодиодов для обслуживания зон освещаемого пространства. В частности, для равномерного светораспределения можно использовать сферическую основу модуля, с привлечением свойств правильных многогранников.

Так, разбивка сферы проекциями ребер правильного икосаэдра дает 20 треугольников, которые можно еще разбить на меньшие, доведя число клеток-треугольников до 80 (что в ряде случаев уже будет достаточным). Внутри разъемной сферы модуля можно разместить понижающие трансформаторы и выпрямители. В статье описан профиль твердотельной зеркально-линзовой системы для светодиодного светового прибора и его реализация в круглосимметричную конструкцию путем вращения вокруг оптической оси. Но этим не исчерпываются его возможности для других источников света и световых приборов. Так, перемещение профиля по прямой, перпендикулярной его плоскости, приводит к параболоцилиндрической оптической системе для веерного светораспределения с трубчатым источником света. Мало того, тело вращения профиля вокруг касательной к вершине параболоидного отражателя дает оптическую систему для прожектора кругового излучения с источником света в шаровой колбе (например, ксеноновой лампой) [6]. Обобщая, можно констатировать, что область применения светодиодов в разных разделах светотехники может расширяться без принципиальных ограничений.

Литература

1. Лебедев О. А., Сабинин В. Е., Солк С. В. Полимерная оптика для светоизлучающих диодов // Светотехника. 2001. № 5.

2. Патент на полезную модель № 63026. Оптическая система / Цюпак Ю. А. Приоритет от 04 декабря 2006 г.

3. Абрамова Л. В., Цюпак Ю. А., Балашов А. В. О некоторых перспективных направлениях развития оптической системы прожекторной светодиодной светотехники / В сб. научных трудов V Всероссийской научно-технической конференции. Саранск, 2007.

4. Патент на полезную модель № 48067. Светодиодная оптическая система концентратора / Цюпак Ю. А. Приоритет от 20 апреля 2005 г.

5. Абрамова Л. В., Цюпак Ю. А., Уханов М. А. Экспериментальное исследование твердотельной оптической системы светодиодного прожектора / В сб. научных трудов V Всероссийской научно-технической конференции. Саранск, 2007.

6. Цюпак Ю. А., Шибайкин С. Д., Куршев А. Е. Полноохватная твердотельная оптическая система кругового излучения / В сб. научных трудов V Всероссийской научно-технической конференции. Саранск, 2007.

Скачать статью в формате pdf  Скачать статью в формате pdf


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке