Разработка светотехнической части светового прибора



Рисунок 31 Светильники, оптические системы которых представлены только отражателем (а) или только рассеивателем (б)

По наличию или отсутствию компонентов оптической системы светильники можно разделить на три типа:

- светильники с рассеивателем. В таких приборах световой модуль полностью скрыт от глаз наблюдателя. Рассеянный свет равномерно распределяется по освещаемому пространству;

- светильники с отражателем. Некоторые модели светильников выпускаются без рассеивателя. Они комплектуются одним рефлектором, который направляет свет вниз или вверх и в стороны. При этом формируется не столь равномерное общее освещение, однако такие светильники в основном служат прожекторами, равномерный свет от которых получается за счет перераспределения света в пространстве при отражении от освещаемых поверхностей. Светильники с отражателем и рассеивателем. Форма отражателя создаёт направление, в котором будет выходить излучение, а рассеиватель позволяет воспринимать свет однородным с поверхности светильника.



4.2 Отражатель светодиодного СП

Отражатель выполняет функцию направления света и его перераспределения в пространстве за счет многократного отражения. Он может быть любой формы в зависимости от функционального назначения светильника.

По способу распределяемого отражённого потока света, отражение может быть зеркальным (направленным), рассеянным (диффузным), направленно-рассеянным и смешанным [10]. Наиболее важными характеристиками материалов, отражающих свет, следует считать коэффициент отражения и кривую распределения отражённого потока света в пространстве (индикатрису), а в цветных светоотражающих материалах немаловажен такой показатель, как распределение коэффициента отражения в спектре. Однако цветные материалы при изготовлении осветительных приборов, как правило, не применяются.

Материалы с направленным и направленно-рассеянным типом отражения представляют собой металлы, обработанные различными методами, или же покрытия из металла на неметаллическом основании. Рассеянное отражение формируют матовая бумага, ткани, большинство красок и эмалей. Смешанным отражением обладают специфические силикатные эмали и блестящие белые материалы (силикатные и синтетические материалы с добавками, не пропускающими свет, блестящая бумага и другие). Направленное отражение даёт возможность более точно и направленно распределять поток света ламп, создавая тем самым необходимую кривую силы света (КСС). Максимальным коэффициентом отражения из всех очищенных металлов обладает серебро. Его коэффициент отражения равен 0.92. Но из-за своей высокой стоимости серебро используется лишь в виде тонко нанесённого слоя на обычных стеклянных отражателях некоторых прожекторов и в увеличительных приборах. Распространённым среди материалов отражателей является также обработанный алюминий, в чистом виде имеющий коэффициент отражения 0.8, но быстро окисляющийся на воздухе. Защиту этого металла от контакта с воздухом осуществляют преимущественно методами альзакирования или анодирования. Процесс альзакирования заключается в покрытии металлической поверхности тонкой плёнкой двуокиси или окиси кремния. Эта тонкая плёнка понижает коэффициент отражения, однако полностью блокирует доступ воздуха к металлу, укрепляя в то же время его поверхность. Процесс анодирования состоит в обработке поверхности металла растворами ортофосфорной кислоты, ангидрида хрома и других элементов при одновременном воздействии электрического тока. Обработанная поверхность становится отполированной, а сформированный защитный слой предотвращает изменение коэффициента отражения поверхности металла со временем под воздействием влаги [12].

Поскольку стоимость металлов с каждым годом увеличивается, а коэффициент отражения металла сильно зависит от степени его чистоты, экономически и экологически оправданным решением является использование вместо очищенного алюминия его сплавов, а также стали и пластика (например, поликарбоната), придающих готовому материалу отражателя прочность и гибкость, а самому отражателю -- возможность принимать любые формы и размеры. Иногда в качестве материала отражателя используют стекло. Такие материалы, как пластик и стекло, сначала покрывают слоем высокоочищенного алюминия путём его испарения в вакууме, и затем защитным слоем, например, SiO2. Если материал отражателя предназначен для направленного отражения, то поверхность материала основы должна быть максимально гладкой и не иметь шероховатостей. В противном случае отражение будет направленнорассеянным.

На сегодня коэффициент отражения от листов металла с тонким слоем высокоочищенного алюминия достиг значения 99.99%, а с нанесёнными поверх защитными слоями из SiO₂ и TiO₂ -- 95%. Наивысший коэффициент отражения света достигается при замене высокоочищенного Al на серебро; в этом случае коэффициент отражения максимален и равен 98%. Отражатели на основе сплавов алюминия выполняются и с направленно-рассеянным типом отражения разного качества рассеяния. Рассеянное излучение для светильников, в которых не предусмотрено наличие рассеивателя, получают, используя распыление белых красок и эмалей на основе цинковых окисей, окислов титана и других на внутреннюю поверхность корпуса. Коэффициент отражения качественных эмалей составляет 85%.

4.3 Рассеиватель светодиодного СП

Оптический рассеиватель необходим для создания однородности распределения света в пространстве, отсутствия бликов в светильниках общего освещения и в создании равномерного освещения в светильниках подсветки. Оптические рассеиватели в современных светильниках делают из поликарбоната (PC) (рис. 32) и полиметилметакрилата (PMMA), поскольку эти материалы позволяют изготавливать линзы и рассеиватели практически любых размеров, форм и диаграмм направленности. Они к тому же гораздо легче, например, стекла, и технологичны, а также прочнее других полимерных материалов, таких, например, как полистирол, полипропилен, стиролакрилонитрил и другие.

Рисунок 32 Рассеиватели из поликарбоната (а) и их использование в светодиодных светильниках для уличного освещения (б)

Современные материалы на основе поликарбоната хорошо подходят для светодиодных ламп и светильников, в том числе дизайнерских. Они обеспечивают защиту от воспламенения, обладают малым весом, сохраняют свои свойства под действием ультрафиолетового излучения, способны работать при температурах от -30 до +50 єС. Помимо рассеивателей, находящихся на некотором удалении от источника света, в светодиодном освещении, авиационных дисплеях, дорожных знаках, в подсветке дисплеев и жидкокристаллических экранов, для освещения стен и аллей и для других целей применяются специальные плёнки, которые накладываются непосредственно на источник света. Например, в плёнках Luminit выходящий пучок имеет неосевое направление распространения света (рис. 33). Такие плёнки используются именно в тех случаях, когда требуется непрямое распространение света.

Рисунок 33 Схема распространения луча света в специальной пленке Luminit, для которой характерно неосевое распространение света

Они могут применяться либо самостоятельно, и в этом случае угол отклонения лучей составляет 20°, либо в комбинации с отражателем, и тогда угол распространения будет определяться уже конструкцией системы. С помощью плёнок, изменяющих направление света, можно комбинировать особенности диффузного и углового распределения света в пространстве. Плёнки производства компании MesoOptics представляют более широкие варианты распространения светового луча в пространстве (рис. 34).



Рисунок 34 Применение для рассеяния света плёнок, отклоняющих падающий на них прямо свет на характерный угол. Показаны варианты направления распространения света

В некоторых случаях оптический рассеиватель содержит люминофор, а сами светодиоды в таком светильнике чаще всего излучают синий свет. Такая концепция называется системой удалённого люминофора; она реализована во многих светодиодных продуктах (рис. 35 и 36).

Рисунок 35 Офисный светильник производства компании ЛидерЛайт, в рассеиватель которого помещен люминофор



Рисунок 36 Устройство светодиодного модуля Xicato, в котором использована технология удалённого люминофора: схема устройства (а), его преимущества по цветовой стабильности (б), внешний вид таких модулей (в).

Компания Intematix производит линейку продуктов - рассеивателей, содержащих люминофор, причем, совершенно разнообразной формы. Компания заявляет об увеличении на 30% эффективности светодиодного светильника при использовании такого способа преобразования излучения в белый свет.



5. Разработка конструкции СП

5.1 Обеспечение теплового режима светодиодного светильника

Обеспечение теплового режима светодиодного светильника, или, как ещё часто называют этот процесс, тепловое управление, является определяющим по отношению к характеристикам устройства. Тепло, появляющееся из-за потерь при излучении и переизлучении света чипами и люминофором, должно отводиться от источников излучения самым оптимальным путём.

Генерируемое в светодиоде тепло обусловлено потерями носителей за счет их утечки из активной области, поглощения рождённых фотонов слоями материала полупроводникового чипа, герметизирующего вещества, люминофора, потерями при преобразовании синего света в жёлтый. Снизить количество тепла можно за счет применения высококачественных и высокоэффективных светоизлучающих полупроводниковых структур и других материалов, однако полностью исключить его невозможно. К тому же, электрические и оптические свойства полупроводников, используемых при изготовлении светодиодов, сильно зависят от температуры и при её увеличении начинают деградировать с увеличенной скоростью. При перегреве такие элементы быстро выходят из строя.

Повышенная температура приводит к следующим негативным последствиям

- изменению коэффициента преломления инкапсулирующего материала светодиода;

- механическим напряжениям в материалах основных компонентов светодиода;

- изменению цвета излучаемого света: сдвигу цветовых координат, изменению пиковой длины волны излучения;

- разрушению материала адгезива, фиксирующего чип в корпусе;

- уменьшению светового потока;

- нарушению целостности паяного соединения между внешними контактными площадками корпуса светодиода и контактными площадками печатной платы;

- деградации люминофора;

- деградации материала чипа;

- уменьшению срока службы светодиода.

5.2 Тепловой расчет СП

Главной и наиболее распространенной причиной выхода из строя светодиодов является их некорректный тепловой режим работы. При этом основным и единственным источником тепла в светодиодных светильниках (за исключением световых прибор со встроенным в корпус драйвером) являются сами светодиоды. Данный факт обусловлен тем, что эффективность преобразования светодиодом электрической энергии в световую не равна 100%. Так наиболее высокопроизводительные светодиоды компании CREE способны преобразовывать до 50% процентов электрической энергии в световую. Отметим, что для обеспечения надежной работы светового прибора в течении всего срока служба будем использовать более консервативный подход, при котором лишь 40% электрической энергии преобразуется в видимое излучения и 60% в тепло. Следовательно, тепловая мощность, которую необходимо рассеять будет определятся по формуле:

. (1)

Светодиод передает выделившуюся тепловую энергию окружающем пространству следующими тремя способами:

1. Теплопроводность - механизм передачи тепла от более нагретых участков твердого тела к менее нагретым. В соответствии с законом Фурье предаваемую тепловую мощность, по средствам тепловодности, можно определить по формуле:

где ??_???????? [Вт] - количества тепла, передаваемого посредством теплопроводности;

?? [Вт/мК°] - коэффициент теплопроводности данного материала;

?? [м²] - площадь поперечного сечения, через которое распространяется тепло;

??? [?] - градиент температуры;

?x [м] - расстояние, преодолеваемое тепловым фронтом.

2. Конвекция - явление переноса теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками самого вещества. Выделяют естественную и вынужденную(принудительную) конвекцию. Естественная конвекция возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз.

При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

Тепловая мощность, передаваемая за счет конвекции, определяется в соответствии с законом охлаждения Ньютона по формуле:

где ??_???????? [Вт] - количества тепла, передаваемого посредством конвекции;

? [Вт/м ²К°] - коэффициент теплоотдачи;

?? [м ² ] - площадь поверхности;

??? [?] - градиент температуры (разница между температурой поверхности и температурой окружающего воздуха).

3. Тепловое излучение - электромагнитное излучение, испускаемое телами за счёт их внутренней энергии. Количество тепла передаваемого за счет теплового излучения определяется излучательной способностью данного тела. Причем в соответствии с законом Кирхгофа излучательная способность тела тем выше, чем выше его поглощательная способность. Количество тепла передаваемого за счет теплового излучения определяется по формуле:

, (4)

где ??_?????? [Вт] - количества тепла, передаваемого посредством теплового излучения; ?? - коэффициент излучательной способности данного тела;

?? [Вт/м²??⁴] - постоянная Стефана-Больцмана;

?? [м²] - площадь поверхности;

??_?? [?] - температура излучающей поверхности;

??_?? [?] - температура окружающего воздуха.

Конструкция светильника предполагает, что светодиоды будут расположены во внутренней полости, изолированной от окружающей среды. Таким образом основным механизмом передачи тепловой энергии от светодиода окружающему пространству является теплопроводность в твердых телах. Это обусловлено следующими факторами:

- в замкнутом пространстве практически полностью отсутствует конвекция;

- внутренняя полость и стенки светильника прогревается практически до такой же температуры что и сам корпус светодиода, кроме этого, малая площадь поверхности светодиода приводят к тому, что количество тепла передаваемого за счет теплового излучения близко к нулю.

Следовательно, практические все тепло генерируемого светодиодом передается через область припоя и область тепловой подушки алюминиевой печатной плате и далее радиатору светового прибора.

5.3 Моделирование тепловых режимов работы светильника в программном комплексе «Solid works 3D CAD /Solid works Flow simulation»

На этапе разработки светодиода и, что особенно важно, светодиодного СП, обязательно проводится моделирование тепловых процессов, учитывающих теплоперенос и конвекцию.

Это позволяет:

- разработать правильную с точки зрения растекания тепла конструкцию;

- уменьшить стоимость прототипа;

- увеличить надёжность и качество продукта;

- определить критические области в конструкции;

- организовать тепловой режим изделия.

1. SOLIDWORKS 3D CAD. Данное программное обеспечение представляет собой широко известную систему автоматизированного проектирования (CAD систему). SOLIDWORKS 3D CAD предоставляет инженерам, проектировщикам и производителям простые в освоении и мощные функциональные возможности для проектирования изделий.

2. SOLIDWORKS Flow Simulation. SolidWorks Flow Simulation - является добавлением в среду проектирования Solidworks 3D CAD и представляет собой мощное решение вычислительной гидродинамики (CFD). С помощью flow simulation становится возможным быстро и просто смоделировать эффекты потока теплообмена и гидродинамических сил. Кроме того, данное добавление позволяет моделировать потоки жидкости и газа в реальных условиях и эффективно анализировать последствия потока жидкости, теплообмена и связанных сил, действующих на компоненты и проходящих через них. В решении также можно быстро сравнивать варианты проекта, чтобы оптимизировать принятие решений и производить более эффективные изделия.

Преимущества:

- Оценка производительности изделия при быстром изменении нескольких переменных.

- Ускорение вывода на рынок благодаря быстрому определению оптимальных решений проекта и сокращению количества физических прототипов.

- Снижение себестоимости благодаря сокращению количества переделок и улучшению качества.

- Повышение точности предложений.

На рис. 37 представлены результаты моделирование процессов теплопереноса в светильнике TL-PROM SM FITO 180 UN СБ.SLDASM.

Рисунок 37 Моделирование тепловых процессов в светильнике TL-PROM SM FITO 180 UN СБ.SLDASM

Таким образом, установлено, что температура в корпусе светильника TL-PROM SM FITO 180 UN СБ.SLDASM составляет от + 19,93 до + 24,37 °С и не превышает предельно допустимого значения +40 °С, что позволяет прогнозировать их бесперебойную работу до 300 000 ч.



6. Светотехнические и энергетические расчеты СП

6.1 Требования, предъявляемые к искусственному освещению помещений

Искусственное освещение должно быть достаточным, равномерным, экономичным. Осветительные установки должны обеспечивать постоянство освещенности во времени, электро- пожаро- и взрывобезопасность, эстетичность, удобство обслуживания.

При проведении расчетов необходимо задать:

- высоту теплицы и предполагаемое расстояние от ламп до растений;

- мощность светильников, которые будут использоваться для освещения;

- виды выращиваемых культур, поскольку для разных сортов растений требуется различная интенсивность освещения;

- общая площадь теплицы и ее освещаемых участков.

В качестве источников света выбираем светодиодные лампы Osram Oslon SSL, технические характеристики представлены в таблице 3.

Таблица 3

Семейство OSLON SSL 80 и 150

OSLON SSL	Цвет	Длина волны, нм	Световой поток	Ток, мА
80	150
LA CP7P	LA CPDP	оранжевый	612-624	70 лм	400
LR CP7P	LR CPDP	красный	620-632	55 лм	400
	LB CPDP	синий	446-476	28 лм	350



6.2 Выбор светового прибора (светильника)

Световые приборы, перераспределяющие свет лампы (ламп) внутри больших телесных углов, называются светильниками. Выбираем тип светильника TL-PROM SM FITO 180 UN СБ.SLDASM (рис. 38), его технические характеристики следующие:

· Напряжение питания: 202 - 254 B(AC) 47 - 63 Гц;

· Потребляемая мощность: 168,4 Вт;

Светотехнические характеристики

· КСС: Г (80°);

· Модель светодиода: Osram Oslon SSL;

· Количество светодиодов: 96 шт;

· Ресурс светодиодов: 300 000 часов;

· Рабочий ток светодиода: 700 мА;

· Поддержка диммирования: Да;

· Гальваническая изоляция: Да;

· Защита от холостого хода: есть, восстанавливается автоматически;

· Наличие защиты от 380В: Нет;

· Пробивное напряжение> 4 кВ АС;

· Сопротивление изоляции> 200 МОм;

· Материал монтажных плат: Алюминий;

Конструктивные характеристики

· КСС: Г (80°);

· Рассеиватель: Рассеиватель Г (80°);

· Материал корпуса: Анодированный алюминий;

· Степень защиты: IP67;

· Способ крепления светильника: Универсальное (кронштейн/кольцо);

· Источник питания: PHILIPS Xitanium LP 200W 0.5-1.5A S1 230V I195;

Габаритные размеры

· Размеры светильника: 832Ч150Ч138 мм;

Прочие характеристики

· Коэффициент пульсации: ? 4;

· Коэффициент мощности: Cos Ц? 0,95;

· Температура эксплуатации: от -60° до +40° °C;

· Вид климатического исполнения: УХЛ1.

Рисунок 38 Светильник TL-PROM SM FITO 180 UN СБ.SLDASM

6.3 Выбор нормированного значения освещенности

Основными понятиями являются длина световых волн и освещенность, которые индивидуальны для каждого растения. У различных видов флоры сформировались собственные предпочтения и требования к показателям. Для обеспечения нормальной жизнедеятельности растений необходим направленный световой поток конкретной интенсивности и цветовой температуры.

В таблице 4 приведены нормы освещенности для рассады некоторых культур.

Таблица 4

Норма освещенности для растений

Культура	Минимальная освещенность,. люкс
Все виды капусты, салат кочанный и листовой	6 000
Томат, перец, баклажан, фасоль	5 000
Кабачок, патиссон, тыква	5 000
Огурец, арбуз, дыня	4 000

6.4 Определение количества и размещение светильников

Расчет светодиодного освещения теплицы проводится по формуле:

где F - требуемая интенсивность светового потока (Лм);

Е - уровень освещенности (Лк);

S - площадь предполагаемого участка освещения (м²);

К_и - коэффициент использования светового потока.

При этом данное значение зависит от расположения отражателя: для внешней системы отражения он составляет 0,4, а для внутренней - 0,8.

Необходимо обустроить подсветку для 10 квадратных метров теплицы, на которых выращиваются капусту. Минимально допустимый уровень освещенности для этих культур составляет 6000 Лк. При этом предположим, что теплица оснащена внутренним отражателем.

Определяем необходимый световой поток:

F = (6000?10)/0,8 = 75000 Лм.

Используя полученный результат, мы можем рассчитать количество светильников, необходимых для освещения.

Световой поток одной лампы - 55 лм; количество ламп в светильнике - 96 шт, тогда необходимое количество светильников равно

Для организации подсветки понадобится 14 светильников TL-PROM SM FITO 180 UN СБ.SLDASM

При этом важно учитывать, если показатель высоты меняется, световой поток также будет меняться по правилу обратных квадратов. То есть, если лампы будут расположены на высоте 2 м, освещенность и поверхности грунта снизится в 4 раза, если на расстоянии 3 метра, то в 9 раз, а если расстояние от ламп до растений составляет 0,5 метра, то освещенность наоборот, увеличится в 4 раза.



Заключение

В курсовой работе разработана конструкция светильник TL-PROM SM FITO 180 UN СБ.SLDASM для освещения теплиц и его светотехническую часть.

В ходе выполнения курсовой работы были выполнены следующие задачи:

- выполнили анализ объекта с точки зрения его освещения;

- установили необходимые уровни освещения для теплиц - от 3000 до 6000 лк, мощность - 168,4 Вт, габаритные размеры светильника - 832Ч150Ч138;

- Определили температурные режимы светильник TL-PROM SM FITO 180 UN СБ.SLDASM: от ;

- разработали конструкцию светильника TL-PROM SM FITO 180 UN СБ.SLDASM.

- рассчитали светотехническую часть светового прибора - для освещения теплицы необходимо 14 шт. светильников TL-PROM SM FITO 180 UN СБ.SLDASM.



Список используемых источников

1. Шуберт Ф. Светодиоды. /Пер. с англ. под ред. Юновича А.Э. 2-е изд. М., ФИЗМАТЛИТ, 2008. 496 с. ISBN 978-5-9221-0851-5.

2. Айзенберг Ю.Б. Основы конструирования световых приборов. М., Энергоатомиздат, 1996, 704 с.

3. Справочная книга по светотехнике. Под ред. Айзенберга Ю.Б. 3-е изд. Переработанное и дополненное. М.: Знак. 1972 с. ISBN 5-87789-051-4.

4. Трембач В.В. Световые приборы. М. Высшая школа,1990, 464 с.

5. Карякин Н.А. Световые приборы. М. Высшая школа,1975, 336 с.

6. Мешков В.В., Матвеев А.Б. Основы светотехники. Ч. 2. М. Энергоатомиздат 1989, 432 с.

7. Гуторов М.М. Основы светотехники и источников света. М. Энергоатомиздат 1983, 384 с.

8. Каталог светильников / Режим доступа: http://masv.ru/svetotehnika/index.php // (Дата обращения: 03.04.2024 г.).

9. Ландшафтный свет - освещение под ключ, ландшафтные и архитектурные светильники / Режим доступа: (http://www.landsvet.ru// Дата обращения: 03.04. 2024 г.).

10. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Часть 7 / Режим доступа: http://www.vashdom.ru/gost/pue_1_03/index-7.htm // (Дата обращения: 03.04.2024 г.).

11. В.Е. Бугров, К.А. Виноградова. Оптоэлектроника светодиодов. Учебное пособие. СПб: НИУ ИТМО, 2013. 174 с.

12. Давиденко Ю. Высокоэффективные современные светодиоды // Современная электроника.2004. Октябрь. С. 36 - 43.

13. Беляев В. Современные Светодиоды. Насколько Светлое у них будущее? //ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2009. № 2. С.18-24.

14. Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы / Бахарев И., Прокофьев А., Туркин А., Яковлев А. // Разработки. Сельское хозяйство. СТА 2.2010. стр. 76 - 82.

15. Гужов С., Полищук А., Туркин А Концепция применения светильников со светодиодами совместно с традиционными источниками света // Современные технологии автоматизации. 2008. № 1. С. 14 - 18.

Размещено на Allbest.ru

...