發(fā)布時間:2018/11/12 9:05:59 來源:本站
LED燈具實質(zhì)上是一個復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng),進(jìn)行照明設(shè)計[1-2]時需分析光源芯片的光線傳導(dǎo)過程,充分考慮目標(biāo)平面的光能量分布。圖1所示為光傳播原理,入射光線與透鏡自由曲面交于一點L(x,z),透鏡的材料與折射率決定了透鏡的透光率、出射光與透鏡的夾角等,經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到自由母線的偏微分方程。
圖1 邊緣光線傳播原理
Fig.1 Spreading of edge rays
假設(shè)出射光與外表面法線成角度α1,與目標(biāo)受照面成角度α2,透鏡與光源間為空氣間隙,透鏡與空氣折射率分別為n和1,設(shè)m2為法線斜率,tan Φ2和tan Φ3分別為入射光線和折射光線的斜率,則
令
將α1、α2代入A1、A2,可得
m2=(nktan Φ2-sin Φ3)/(ncos Φ2-cos Φ3)
(7)
進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo),可將式(7)的m2、Φ2、α3表示為
則可得自由曲面母線的偏微分方程為
=
(10)
本設(shè)計考慮到光能的利用率問題,將路燈的縱向配光設(shè)計成對稱分布,并且縱向配光的單側(cè)控光范圍為路燈間距的一半,橫向配光呈非對稱分布,并且光強較大方向偏向于道路中心線。為了滿足兩個方向的光束要求,所設(shè)計的透鏡是一個縱向?qū)ΨQ、橫向偏心的不規(guī)則曲面透鏡[3-6]。
橫向配光的中心光強越接近矩形區(qū)域的中心線越好,在突出路沿為0.3 m的情況下,計算路燈的橫向偏心角。設(shè)偏心角為α,突出路沿S=0.3 m,燈桿高度H=12 m,則
(11)
所以C90°~270°需要光強偏角至少為16.04°。
計算C0°~180°方向的峰值光強角。由于兩燈桿相距35 m,所以路燈的縱向配光單側(cè)控光范圍為17.5 m,設(shè)峰值光強角為β,則
(12)
故峰值光強夾角應(yīng)大于111.12°。計算以上兩個角度可知配光曲線的大致形狀。
設(shè)計透鏡采用聚碳酸酯(PC)材料,其折射率為1.59,設(shè)發(fā)生全反射的臨界角為C,PC材料的折射率為n1,空氣折射率為n2,則
(13)
根據(jù)計算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行光線理論分析,代入式(2)~(10)的自由曲面母線偏微分方程,并進(jìn)行MATLAB編程,擬合生成LED透鏡的母線。將所得母線導(dǎo)入建模軟件SolidWorks,結(jié)合光學(xué)軟件TracePro、DIALux進(jìn)行優(yōu)化分析,最終得到透鏡結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 透鏡模型圖
Fig.2 Model of lens
1.2.1 光線模擬
設(shè)計所用光源為CREE公司官網(wǎng)下載的XPG光源,定義檔案光源,附加25萬條光線,設(shè)置波長為0.546 1,進(jìn)行光線追跡,觀察配光曲線圖,如圖3所示。
采用TracePro模擬分析透鏡模型,在12 m處設(shè)置一塊長寬分別為80 m的薄片作為接收面,接收面設(shè)置為完全吸收,將透鏡材料設(shè)置為PC,光源光線數(shù)設(shè)置為250 000條,將分析單位由輻射度學(xué)單位改為光度學(xué)單位,然后進(jìn)行光線追跡,如圖4所示。
圖3 光源配光曲線
Fig.3 Light distribution
圖4 光線追跡圖
Fig.4 Ray tracing
1.2.2 配光曲線模擬
該配光與傳統(tǒng)的蝙蝠翼型配光有所不同,若路面上的漫反射系數(shù)為1時,可以用蝙蝠翼型配光,但是實際的道路中都同時存在這兩種反射。由于路燈下中間點的鏡面反射最大,為了提高亮度均勻性,應(yīng)該增加中間點光強,所以配光曲線[7-8]應(yīng)設(shè)計為圖5所示形狀。
圖5 配光曲線圖
Fig.5 Light distribution
將光源的IES文件直接導(dǎo)入DIALux軟件中,建立道路場景,進(jìn)行模擬仿真,道路所設(shè)定參數(shù)與前文設(shè)定一致,得到道路照明效果如圖6所示。
可見光源未經(jīng)配光時在路面上會產(chǎn)生圓形光斑,易造成路面陰影,形成斑馬效應(yīng),增加駕駛員的疲勞程度,不利于夜間出行。
將TracePro中生成的配光曲線導(dǎo)入DIALux中進(jìn)行道路模擬。圖7為配光后的道路3D視圖,燈具為雙側(cè)對稱布置,設(shè)置燈桿高度為12 m,燈桿間距為35 m,進(jìn)行照明計算,結(jié)果如表1所示。
圖6 未配光的3D視圖
Fig.6 3D view without light distribution
圖7 配光后的3D視圖
Fig.7 3D view with light distribution
表1 照明計算結(jié)果
Tab.1 Lighting calculation results
綜合以上結(jié)果可得,該設(shè)計的7項照明指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值,如表2所示。
表2 配光后的照明指標(biāo)值
Tab.2 Lighting index values
此次設(shè)計各項指標(biāo)都符合標(biāo)準(zhǔn),路燈透鏡設(shè)計基本符合要求,完全滿足照明要求。
傳統(tǒng)LED路燈主要存在以下幾個問題[9]:1) 燈具的外框固定,該燈具所能安裝的模塊數(shù)量上限也固定,導(dǎo)致該燈具使用范圍固定,無法滿足不同的照明場景需求;2) 普通燈具的LED照明模塊共用一個驅(qū)動電源,一旦電源出現(xiàn)問題將導(dǎo)致整燈無法工作;3) 普通燈具一旦某個模塊出現(xiàn)問題,就必須替換整燈,維護(hù)麻煩。
為了解決上述問題,設(shè)計了一種全新的模塊化結(jié)構(gòu)。如圖8所示,從左到右依次為模塊拆解后的零部件:印刷電路板(PCB)、路燈透鏡、散熱器、電源箱蓋板。
設(shè)計可擴展連接裝置,使燈具的模塊數(shù)量可變。分析不同道路的照明需求,可以通過增加或減少照明模塊的數(shù)量來滿足不同亮度需求。設(shè)計每個LED照明模塊擁有獨立電源從而能夠獨立工作,不同模塊間并聯(lián)。最后,通過整體結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計,使每個模塊單獨工作并且拆裝方便,不同模塊之間的連接如USB拔插一般方便。一旦其中個別模塊出現(xiàn)問題,只需將其用新模塊替換即可,無需整燈替換,降低維護(hù)難度,提高維護(hù)效率。將上述零部件組裝成照明模塊和整燈后,模塊化LED路燈整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖8 LED路燈照明模塊零部件拆解圖
Fig.8 Components in LED street lamp module
圖9 模塊化LED路燈整體結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.9 Integral structure of modularized LED street lamp
本文針對傳統(tǒng)LED路燈存在的問題,首先通過光學(xué)理論分析推導(dǎo)得到LED透鏡的母線偏微分方程,將該方程進(jìn)行MATLAB編程后得到LED透鏡的母線,導(dǎo)入建模軟件SolidWorks,應(yīng)用TracePro軟件進(jìn)行光學(xué)模擬追跡分析,結(jié)合CAD軟件優(yōu)化,得到了出光效果亮度均勻性較好的透鏡。設(shè)計的等亮度路燈的指標(biāo)為:平均亮度1.76 cd/m2,總均勻度0.82,縱向均勻度0.77,閾值增量9,周邊照度系數(shù)0.87。使用DIALux進(jìn)行照明方案的模擬,分析模擬結(jié)果進(jìn)一步驗證了之前的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。最后針對市場上LED路燈存在的結(jié)構(gòu)問題,設(shè)計了全新的模塊化LED路燈結(jié)構(gòu),得到一款模塊化等亮度的LED路燈。
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