Светодиодные модули для переоборудования ретрофонарей

Замена обыкновенных ламп светодиодными всегда представляет собой сложную инженерную задачу, но компании
Hadco Lighting пришлось столкнуться с дополнительными трудностями при разработке
светодиодных ламп для переоборудования
фонарных светильников с разрядными лампами высокой интенсивности. На мостовых
и тротуарах Северной Америки установлены
десятки тысяч фонарей с рефракционными
плафонами (рис. 1), и компании необходим
был светодиодный модуль, который бы не
только обеспечивал надлежащее распространение света через характерные рефракционные
призмы этих плафонов, но и позволял бы на
месте оперативно заменить оригинальный
модуль на базе разрядной лампы высокой
интенсивности. На помощь пришли инженеры
компании Future Lighting Solutions, которые
оказали Hadco Lighting содействие в разработке
осветительного модуля на базе светодиодов
LUXEON Rebel производства Philips Lumileds.
Результат их работы — светодиодный осветительный модуль LumiLock — отвечает всем
требованиям к оптическим характеристикам
и при этом позволяет переоборудовать фонарные светильники с разрядными лампами
высокой интенсивности в светодиодные
за считанные минуты.

Рис. 1. Фонари с рефракционными плафонами
на базе разрядных ламп высокой интенсивности установлены по всей Северной
Америке

Не просто модернизация

Целью проекта было обеспечить легкий
переход муниципалитетов, коммунальных
служб и коммерческих застройщиков от традиционных источников света на базе разрядных ламп высокой интенсивности к более
экологически чистым светодиодным источникам. За основу были взяты фонарные светильники Fentress Refractive Series. Такой переход должен был снизить потребляемую мощность
на 55–60% и продлить средний срок службы
лампы до 14 лет, устранив издержки, связанные
с необходимостью каждые четыре года заменять
разрядные лампы высокой интенсивности.
Чтобы учесть все имеющееся многообразие
форм светодиодов и технических требований
к твердотельным источникам освещения, был
разработан специальный модуль на замену
патрону со стартером, входящему в состав
светильника. В новом светодиодном модуле
LumiLock традиционная разрядная лампа
высокой интенсивности заменена четырьмя
прямоугольными планками, в каждой из которых смонтированы одна или две платы на 10
светодиодов. При этом в модуле сохранен
патентованный механизм поворотной фиксации, позволяющий отсоединять и подсоединять
проводку без использования инструмента.
Этот механизм, разработанный ранее с целью
упростить замену разрядных ламп высокой
интенсивности в фонарных светильниках,
теперь позволяет легко переоборудовать такие
светильники светодиодными лампами.

Поскольку в штате компании не было специалистов по разработке светодиодных плат,
решено было для работ по созданию твердотельного осветительного узла прибегнуть
к внешней помощи. «Нам необходимо было
принимать решения по целому ряду сложных
вопросов, таких как выбор светодиода, конфигурация платы, регулирование температурных режимов, оптика и даже выбор производителя линейки, — поясняет Михаэль Риблинг
(Michael Riebling), менеджер компании Hadco
по НИОКР в области твердотельных источников света. — Такой проект необходимо было
реализовывать с коллективом, специализирующимся на разработке светодиодных систем».

Рефракция в действии

Проанализировав системные требования,
коллектив разработчиков почти сразу же остановил свой выбор на светодиодах холодного
белого цвета LUXEON Rebel. Тому было несколько причин. Во-первых, весьма малая
площадь посадочного места светодиодов Rebel
обеспечивала возможность плотного монтажа
10 таких светодиодов на плату для оптимального их размещения в модуле LumiLock. Вовторых, эти светодиоды выдерживали больший
управляющий ток и более высокую температуру p-n-перехода без сокращения срока
службы или уменьшения надежности. В-третьих,
в данное семейство светодиодов входит компонент с минимальным световым потоком
100 лм, который обеспечивает необходимый
световой выход при меньшем количестве излучателей, позволяя таким образом минимизировать издержки без увеличения площади
платы.

Далее специалисты-оптики выполнили ряд
экспериментов по оптическому моделированию,
чтобы решить, как наилучшим образом воспроизвести распределение света, создаваемое
разрядной лампой высокой интенсивности.
Рефракционные призмы для плафонов всех
форм вырезаются с расчетом на круговой
металлогалогенный источник света (рис. 2).
Они распределяют свет по горизонтали для
охвата максимальной площади и минимизации
нежелательного рассеивания света, возникновения бликов и теней. Задача компании Future
Lighting Solutions состояла в том, чтобы разработать конструкцию платы, обеспечивающую
аналогичные характеристики рефракции для
направленных лучей светодиодов.
«Необходимо было выполнить оптическое
моделирование, чтобы определить места расположения светодиодных линеек в модуле
LumiLock и на самих платах, при которых
оптические характеристики будут эквивалентны характеристикам разрядной лампы высокой
интенсивности, — говорит Майкл Квиджано
(Michael Quijano), инженер-проектировщик
оптического оборудования компании Future Lighting Solutions. — Мы знали, что светодиоды нужно группировать в центре каждой
планки, чтобы свет приходил приблизительно
из того же места, что и в разрядной лампе
высокой интенсивности, но при этом перемещение линейки всего на 1–2 миллиметра
вверх или вниз уже меняло эффект».

Рис. 2. Рефракционные призмы (а),
первоначально разработанные для
осветительного модуля LumiLock на базе
разрядной лампы высокой интенсивности
(б), создают характерное распределение
света, которое необходимо было учесть
при разработке взаимозаменяемого
с ним светодиодного модуля LumiLock (в)

Тепловыделение,
световой поток и срок службы

По завершении оптического моделирования
и формулировки нескольких сценариев на выбор
эстафета перешла к инженерам-термистам
и электротехникам.
С помощью фирменного программного
обеспечения коллектив рассчитал наилучшее
значение управляющего тока, обеспечивавшее
оптимальные световой выход и срок службы.
Кроме того, специальные программные средства использовались для расчета теоретически
ожидаемого светового потока при различных
сочетаниях управляющего тока, температуры
окружающей среды и теплового сопротивления радиатора, а также для определения требований к тепловым характеристикам разрабатываемого нестандартного радиатора. Это
дало возможность оценить альтернативные
варианты конструкции путем точного моделирования светодиодов — без изготовления
прототипов, замедляющего процесс разработки. Результатом явилась окончательная версия
светодиодного осветительного модуля с оптимально подобранными характеристиками.
Кроме того, инженеры рассчитали ожидаемый
срок службы светодиодной системы, исходя
из выбранной модели светодиода, управляющего тока и температуры p-n-перехода в предложенной конструкции. Анализ дал цифру
минимум в 50 000 ч при поддержании 70%-ного
светового потока — именно тот показатель,
который был задан в расчетных критериях.

Миссия выполнена

Окончательный вариант конструкции оказался более гибким и универсальным, чем
специалисты Hadco могли себе представить.
Например, один и тот же светодиодный модуль
LumiLock с четырьмя световыми планками
можно использовать для переоборудования
фонарных светильников мощностью 100
и 175 Вт — для этого достаточно задействовать
на планке одну или две платы по 10 светодиодов соответственно. Тот же базовый модуль
пригоден для установки в светильники с узкими и широкими плафонами лишь с незначительными производственными модификациями. Это, в свою очередь, упрощает
управление производством и материальнотехническим снабжением. «Чтобы охватить
весь ассортимент рефракционных светильников, нашим дистрибьюторам достаточно
держать на складах всего четыре различные
товарные позиции — это модификации светодиодных модулей LumiLock с одной и двумя
платами для узких и широких плафонов», —
поясняет Михаэль Риблинг.

Кроме того, система кронштейнов, на которую подана патентная заявка, обеспечивает
быстрый переход между симметричным
и асимметричным распределением света путем
отвинчивания и переориентации двух из четырех световых планок (рис. 3). Это избавляет от необходимости менять плафоны или
использовать внутренние экраны для получения различных шаблонов освещения.
По завершении исходного проекта коллектив разработчиков приступил к созданию
осветительных модулей на базе светодиодов
LUXEON для переоборудования оставшейся
части ассортимента фонарных светильников
Hadco. В итоге компания планирует предложить
светодиодные модули практически для всех
фонарных светильников из своего каталога,
в идеале используя при этом один и тот же базовый модуль для плафонов любой формы.
С их помощью владельцы светильников смогут сократить затраты на электроэнергию,
продлить срок службы ламп и уменьшить
совокупную стоимость владения.

Рис. 3. Переход от асимметричного распределения света к симметричному
в различных условиях выполняется в три простых приема

Примечание. Оригинал статьи опубликован
на сайте www.led-professional.com