Особенности сопряжения светодиодов GSLED.5050.V6X с линзами AMT-ST-236×70-5050(29)-T3M

Десять лет назад в мировых технологиях освещения произошла технологическая революция: появились доступные светодиодные источники света с параметрами лучшими, чем у ламп накаливания и газоразрядных ламп. Технологии полупроводниковых источников света развивались больше 70 лет и резко «выстрелили» на рубеже тысячелетий.

Впервые эффект электролюминесценции в полупроводниковых кристаллах был описан еще в 1923 году советским ученым О. В. Лосевым, в Нижнегородской лаборатории. Спустя 40 лет Жорес Иванович Алферов, сотрудник Ленинградского физико-технического института, смог понять физику этого процесса и создал первый в мире твердотельный полупроводниковый источник света. Он описал и запатентовал свои открытия в области полупроводниковых гетероструктур в 1963 году. Затем три десятилетия ученые разных стран улучшали характеристики подобных гетероструктур, и в 1994 году японский ученый Сюдзи Накамура изобрел синий светодиод, подходящий для промышленного производства. Патент на это изобретение был оформлен на компанию Nichia. В 1999 году Накамура был приглашен работать в США, а в 2001-м произошел судебный патентный спор между компанией Nichia и ее бывшим сотрудником Сюдзи Накамура, после чего американский бизнес стал мировым лидером в производстве светодиодов.

В России первые серийные светодиоды, предназначенные для освещения, начали производить в компании «Светлана-Оптоэлектроника» в 2006 году. Впоследствии эта компания вошла в структуры «Ростехнологий», а потом была обанкрочена.

Вторую попытку выпускать отечественные светодиоды предприняла компания «Оптоган», основанная учениками Жореса Алферова, — здесь серийное изготовление светодиодов началось в 2010 году, при поддержке Роснано. Но и эта компания обанкротилась, как впоследствии и само Роснано.

Сейчас светодиоды в России производятся несколькими компаниями, одной из которых является инвестиционно-промышленный холдинг GS Group, изготавливающий светодиоды под брендом GS LED.

На данный момент под брендом GS LED выпускаются светодиоды белого цвета излучения основных типоразмеров 2835, 3030, 5050 в пластиковых корпусах (EMC, PCT) с металлической рамкой, предназначенных для установки с помощью автоматического оборудования поверхностного монтажа.

В корпусе светодиода GS LED типоразмера 5050 смонтировано несколько светоизлучающих кристаллов, расположенных вдоль двух координатных осей, чаще всего группируясь вдоль одной из них. Такой источник света не обладает круглой (вращательной) симметрией (рис. 1).

Рис. 1. Расположение кристаллов в светодиодах GSLED.5050

При наблюдении картины несимметричного расположения кристаллов возникает резонный вопрос: как этот светодиод будет работать в светильниках с вторичной оптикой, с линзами? Как его предпочтительно ориентировать под линзами, чтобы получить наилучший результат, как будут формироваться кривые силы света в разных плоскостях пространства?

Для ответа на этот вопрос посмотрим, как будут работать светодиоды с линзами для освещения автомобильных дорог. Выбор уличных линз обусловлен тем, что дорожное освещение — это самая зарегулированная нормативными документами тема, и светотехнические параметры уличных светильников критичны даже к небольшому изменению кривой силы света.

В оценочных расчетах для этого случая используем линзы для уличных светильников компании «АМТ-Инжиниринг», которая более 20 лет развивает инструментальное производство в Санкт-Петербурге и имеет большой опыт изготовления пресс-форм для литья деталей из пластиков и алюминия. Штатная команда конструкторов-оптиков умеет рассчитывать линзы сложной формы, адаптируя их для работы со светодиодами. Сейчас компания не только импортозамещает выбывшие с рынка типы зарубежной оптики, но и активно разрабатывает свои самобытные семейства линз. К примеру, инженеры «АМТ» создали семейство линз для уличного и индустриального применения размером 236×70 мм. Эти линзы имеют герметизирующую прокладку на борту, обеспечивают защиту светодиодов от пыли и влаги вплоть до уровня IP67 и оптимизированы для работы в составе одновременно с 29 светодиодами типоразмера 5050, такими как GSLED.5050.V6X (рис. 2).

Рис. 2. Светодиоды GSLED.5050.V6X

Рассмотрим, как будут работать светодиоды GSLED.5050.V6X под линзой AMT-ST-236×70-5050(29)-T3M, если их ориентировать сначала в одном направлении, а потом развернуть на 90° вокруг оптической оси. Для простоты расчета возьмем условно светильники со световым потоком 20 000 лм, которыми будем освещать дороги класса Б2. Согласно СП52.13330.2016, к классу дорог Б2 относятся дороги шириной от трех до шести полос. Нормы для дорог этой категории: яркость дорожного покрытия (L_av) не менее 0,8 кд/м²; общая равномерность яркости(U_o) не менее 0,4, продольная равномерность яркости(U_l) не менее 0,5, пороговое приращение яркости (TI) не более 15.

Односторонняя установка опор является наиболее жестким условием тестирования, так как освещение шестиполосной дороги всегда выполняется с использованием двусторонней схемы. В нашем примере освещения расставим опоры со светильниками с одной стороны дороги класса Б2.

Название линзы AMT-ST-236×70-5050(29)-T3M содержит аббревиатуру Т3М, которая разделяется на две части: Т3 и М. T3 характеризует ширину овала формируемого светового пятна на дороге относительно монтажной высоты светильника (MH). Согласно классификации IESNA, сюда относятся такие свето­распределения, которые формируют пятно шириной 1,75–2,75 MH (рис. 3). В нашей классификации это «боковая» КСС, с направлением максимальной силы света 45–60°. Буква М характеризует шаг между опорами. На рис. 3 красным крестиком показано направление максимальной силы света, составляющее около 2,4 MH. Это означает, что шаг между опорами при высоте установки 10 м при определенных условиях может достигать 48 м. Такая КСС соответствует типу Ш в нашей классификации. Направление максимальной силы света «широкой» КСС — 68°. Таким образом, T3М предназначена для освещения широких городских дорог.

Рис. 3. Классификация IESNA

Для проведения оптического моделирования используем лучевую модель светодиода GSLED.5050.V6X (так называемые файлы в формате .ray) и 3D-модель линзы AMT-ST-236×70-5050(29)-T3M из материала PMMA. Результат оптического моделирования (трассировки лучей) сохраняется в виде файла фотометрических данных формата IES — это фотометрическая модель источника излучения для последующего светотехнического расчета при моделировании освещения участка дорожного полотна.

В результате расчетов мы получили два IES-файла, световые диаграммы которых показаны на рис. 4.

Рис. 4. Слева: КСС линз для светодиода в положении 1; справа: в положении 2 относительно линзы

Далее выполним светотехнический расчет в программе Dialux EVO и сравним максимальный шаг установки для каждого из этих вариантов при одинаковых условиях: высота установки светильника 10 м; угол наклона консоли 15°; вылет светильника 0,5 м; тип дорожного покрытия R3; ширина дороги 11,25 м.

В результате расчета (табл.) получаем, что максимальный шаг при условии выполнения норм дороги класса Б2 для положения 1 светодиода под линзой будет 40 м, а для положения 2 составит 38 м. На рис. 5 приведены изолинии яркости для каждого варианта. Изолинии имеют небольшие отличия, что естественно, поскольку и КСС, приведенные рис. 4, также имеют небольшие различия.

Рис. 5. Изолинии яркости

Мы рассмотрели влияние несимметричного расположения кристаллов внутри светодиодов GSLED.5050.V6X на кривую силы света уличной линзы AMT-ST-236×70-5050(29)-T3M. Сравнение двух светотехнических расчетов одного и того же участка дороги с разной ориентацией светодиодов относительно линзы показало разницу 2 м в максимально допустимом расстоянии между опорами. Минимально допустимое расстояние между опорами в одном варианте ориентации светодиода составляет 40 м, а при повороте светодиода на 90° минимально допустимое расстояние между опорами уменьшается до 38 м. И в том, и в другом случае остальные параметры освещения дороги остаются в норме,. Учитывая то, что большинство опор на улицах российских городов категории Б2 установлены с шагом до 38 м, можно считать допустимой любую ориентацию рассматриваемого светодиода GSLED.5050.V6X под линзой. Это исследование снимает многочисленные вопросы тех разработчиков светодиодных светильников, которые начинают использовать отечественные светодиоды GSLED и не знают, как правильно ориентировать светодиоды под уличной линзой.

Все рассмотренные в статье линзы вторичной оптики и светодиоды сделаны в России и имеют подтверждающие сертификаты СТ-1 и заключение Минпромторга РФ. Применение этих компонентов в светильниках позволяет создавать конкурентоспособную продукцию и снижает зависимость российских производителей светильников от ненадежных импортных комплектующих.