Változtatható fényeloszlási testtel rendelkező közvilágítási LED es lámpák optikai rendszerének tervezése*

dr. Szarvas Gábor, dr. Domján László, Sághy Attila, Kautny Szabolcs, Molnár András Optimal Optik Kft., Budapest Istenhegyi út 9/d [email protected]

*Az előadás az NKTH által támogatott

TECH_08_A4-KOZLED PROJEKT

keretében végzett kutató-fejlesztő munkát mutatja be.

Tartalom

1.

2.

3.

4.

5.

Bevezetés: Különböző fényeloszlások, klasszikus és LED es lámpák, milyen az optimális fényeloszlási test?

Optikai követelmények összefoglalása* LED kiválasztása: hogyan lehet olcsóbb a LED-es lámpatest?

Változtatatható fényeloszlási testtel rendelkező LED-es optikai modul konstrukciója Fényeloszlás test tervezése ZEMAX optikai tervező programmal - LED es lámpák modellezése ZEMAX programmal optimalizálás ME követelményeket számító „MAKRO”-kal.

6. Eredmények * A követelmények összegyűjtésében és megfogalmazásában a HOFEKA Kft. vezetői és munkatársai segítettek.

Bevezetés

:

A fényeloszlás illesztése a különböző oszlopmagasságokhoz, távolságokhoz, útszélességekhez:

változtatható fényeloszlás test.

A modern lámpatestekben az optikához (tükör) képest a fényforrás két tengely mentén elmozdítható. - 5 10 különböző fényeloszlás test típusonként.

HOFEKA Kft. CLAUDIA MT150W lámpatest (csőburás fém halogén lámpa), 26 fényeloszlás test (EULUMDAT fájl); Jelleg hasonló, de a csúcsintenzitás nagysága és iránya változik.

Síküveg lezárás, (2/C) Legnagyobb fényerősség iránya:  65  ,18  Domború lezárás, (3/A) Legnagyobb fényerősség iránya:  68  ,21  Domború lezárás, (5/B) Legnagyobb fényerősség iránya:  70  ,30 

Különböző gyártmányú LED-es lámpák fényeloszlása

A CORLIGHT/EWO cégek DS32-9G jelű LED-es modulja A HELLA cég Eco Streetline Case M LED-es lámpateste A MODOLIGHTS cég MODO_903 LED-es lámpateste A VALOPAA cég VP1301 M6 LED es lámpateste

Útvilágítási feladatok megoldása LED-es lámpákkal (fényeloszlás test „befagyasztva”)

El. Telj.

[W] Ú t sz é l.

[m] Oszl.

mag.

[m] Dől é s [ ° ]

Gyártó/típus/ típus

ME4a

CORLIGHT, é s EWO/DS32 (5 modul) CORLIGHT, é s EWO/DS32 (5 modul)

HELLA

/ Eco Streetline Case M (2mod) VALOPAA / VP1301 M6

ME5 CORLIGHT,

é s EWO/DS32 (3 modul) HELLA/ Eco Streetline Case M (1mod) VALOPAA / VP1301 M6

ME6 CORLIGHT

é s EWO/DS32 (2 modul) 54 54 68 50 32 34 50 22 6,00 7,00 9,00 6,00 6,00 6,00 6,00 6,00 6,60 7,00 9,50 8,50 6,00 5,20 8,50 6,20 5,00 10,00 5,00 10,00 HELLA/ Eco Streetline Case M (1mod) 34 6,00 7,00

T á volság [m] [W/m2]

28,0 25,0 26,0 24,0 25,0 23,0 36,0 28,0 29,0 0,32 0,31

0,29

0,35

0,21

0,25 0,23

0,13

0,20

Tervezési követelmények

1.

Út menti oszlopra szerelt

lámpatest (nem útközepes); 2.

Útvilágítási követelmények teljesítése (MSZ EN 13201-ben rögzített)

tipikus útszélességek,oszloptávolságok és oszlopmagasságok mellett:

CE0 – CE5

E átl U 0 útvilágítási köv.

Megvilágítás közép ért.

min/közép (min.) (lx)

ME1

L átl U U i 0

– ME6

útvilágítási köv.

Fénysűrűség közép ért.

(cd/m 2 ) min/közép (min.) hosszir. egyenletesség (min.) Ti káprázás korlátozása (max.) SR környezet világossága (min.) Fényeloszlást test és az út geom. meghat

Megoldás →

változtatható

„ .

+ még az út reflexiójától is függ!

denevérszárny” fényeloszlás, az adott ME(CE) útkategóriára optimalizálva, tipikus út és oszlop paraméterekkel 3.

Fényszennyezés mentes

vagy szórt fény.

Megoldás

lámpatest: 90º felett nincs direkt fénysugárzás, → vízszintesen elhelyezett lámpatest, síküveg lezárás.

4.

Olcsó ár

klasszikus fényforrással szerelt lámpatesttel összemérhető

Megoldás:

Kevesebb (jobb, de drágább) tok, nagyobb meghajtó áram, nagyobb hőmérséklet, jobb hűtés.

Melyik LED el tervezzük a lámpát?

2009: CREE XP-E, 110lm/W 400-500Ft/tok; MC-E 4 chip 2010: CREE XP-G 130 -140lm/W 600-700Ft/tok 2011: CREE XM-L? 160 lm/W ???? Ft/tok Élettartam mérések ENERGYSTAR előírása szerint. XP-G élettartama 1000mA esetén is eléri az XP-E 350mA-en mért élettartamát Olcsóbb lámpatest: XP-G, 700mA (esetleg 1000mA) - Kevesebb tok Kisebb méret, kevesebb optika Magasabb hőmérséklet- hatékonyabb hűtés

A változtatható fényeloszlású optikai modul konstrukciója

(felülnézet)

Felépítés:A LED-ek egy „zárt” közös optikai térben helyezkednek el Két fix oldal tükör

(az út hossztengelyére Hátsó tükör merőleges);

Két állítható tükör, első és hátsó tükör

(az út hossztengelyével párhuzamos tengely körül forgatható); Antireflexiós sík üveg lap Oldal tükör Középső LED-ek hűtőcsonkja Első tükör

A hűtőcsonkra szerelt LED-ek

az optikai térbe befelé világítanak. Hűtőcsonkok kivezetik a veszteséghőt az optikai térből.

Középső LED-ek

(egy Hátsó tükörtartó lemezek beillesztve a rögzítő nyílásokba tengely mentén beforgatva);

Oldalsó LED-ek

tengely körül beforgatva); (két Hátsó tükörrögzítő nyílások Oldalsó LED-ek hűtőcsonkja Oldaltükör Első tükörtartó lemezek beillesztve a rögzítő nyílásokba Első tükörrögzítő nyílások

Állítható fényeloszlású optikai modul lámpatestbe illesztve, alulnézet

Oldalsó LED-ek Hátsó tükör (két helyzetben) 2x2 LED mátrix Első tükör (két helyzetben) Középső LED-ek

Fényeloszlási test változtatása: Gyártás alatt (ME/CE)

Oldalsó és középső LED-ek száma aránya Aszférikus tükrök száma/pozíciója (oldalanként 4 lehetőség)

Szerelés alatt (Oszlop magasság/út szélesség):

Mozgatgatható első/hátsó tükör szöge (választható fix pozíciók) Oldalsó Hűtőcsonk Négyszögletes CPC kollimátor tükör Az oldalsó hűtőcsonk és az oldalsó LED-ek ZEMAX modellje Az oldalsó LED-eken –a feladattól függően aszférikus - kollimátor tükör van.

LED es lámpa ZEMAX modellje 1.

ZEMAX optikai tervező program: Sorrendi sugárátvezetés; Nem sorrendi sugárátvezetés; Fizikai optika.

Nem sorrendi sugárátvezetés: Fényforrások  Fénysugarak(teljesítmény, hullámhossz, polarizáció)  Nem sorrendi objektumok  Detektorok; Minden fénysugár (fehér v. színes) egy adott teljesítmény hányadot visz magával (W vagy lumen); Minden sugárra minden objektummal/detektorral lehetséges metszéspont meghat. Valós metszéspont:amihez a legrövidebb út tartozik  törés/tükrözés/szórás/sugárosztás, teljesítmény hányad meghat.

-

LED:

Sugárkészlet közeltéri eloszlás, xyz+szögek, (IES, EULUMDAT távoltér 3adat/sugár) -100K 1000K sugár/LED Tok és lencse pontos geometriája (STL, IGES..)

Tükrök, (sík és aszférikus felületek) hűtőcsonkok(testek):

pontos geometria, pozíciók; komplex reflexiós tényező (valós anyag,elnyelés); tükrös/szórt reflexió aránya, különböző szórási modellek, vagy mért adatok.

Záró síküveg lap:

törésmutató, antireflexiós réteg.

Lámpaház:

CAD import (elnyelés, apertúrázás ellenőrzése)

LED es lámpa ZEMAX modellje 2.

Különböző szintű modellek:

Nincs sugárosztás (csak a továbbvezetett sugár teljesítménye változik); Egyszerűsített sugárosztás megtört, vagy visszavert sugár (tükrös vagy szórt sugár) véletlenszerűen; Valós sugár osztás a sugarak teljesítménye változik; Nincs sugárosztás Egyszerűsített sugárosztás Valós sugárosztás

Gyorsítási lehetőségek:

-Figyelembe vett objektumok; -Kihagyott objektumok;

Optikai modul optimalizálása az EN13201 ben rögzített követelményekre

Útvilágítási helyzet beépítése ZEMAX-ba: optikai modul+ detektorok(úttest+járda) Fénysűrűséget számoló MAKRO-k tipikus elrendezésekre: Operandus készlet; Változók: LED-ek,tükrök geom. adatai; aszférikus koll. paraméterei.

ME3 ME4 ME5

Út szél.

8m 7m 6m

Oszlop mag.

10m 7m 7m

Oszlop táv.

30/35m 25/30m 25/30m ME6 6m 6m 25/30m EN13201 ben rögzített módon: 2, 5 lámpa oszlopok; 6 megfigyelési irány, 7 megfigyelő hosszirányú helyzete, X számítási pontok elhelyezkedése hossz és kereszt irányban; Figyelembe veendő lámpatestek: Megfigyelő felé:5H, Megfigyelőtől:12H, Oldalt 5H (H oszlop magassága) Szabványos és számolt átlagos fényesség Szabványos és számolt egyenletesség Hosszegyenletesség Környezeti arány

62W-os LED es lámpa két fényeloszlási teste;

(28db. XP-G LED, 700mA)

CE4, 2 db. aszféria oldalanként Út szélesség:6m, oszlop magasság:10m, oszlop táv.: 30m; Tükör szögek: -51  ;90  .

ME4a, 3 db. aszféria oldalanként; Út szélesség:7m, oszlop magasság:7m, oszlop táv. 28m; Tükör szögek: -26.9

 ;71.65

 .

Összefoglaló -

A modulok fényeloszlás teste az állítható tükrök szögének változtatásával módosítható.

-A LED ek egy közös optikai térbe sugároznak, az optikai elemek nem az egyedi LED ekre vannak illesztve, ezért a kidolgozott optikai rendszer lényegében LED független.

-

A modulokat vízszintesen elhelyezett síküveg lezárás figyelembevételével optimalizáltuk. A LED-ek és az aszférikus reflektor megfelelő elrendezése, és a lezáró edzett üveglapon lévő antireflexiós réteg kompenzálja, illetve csökkenti a nagyszögű sugarak veszteségét. A síküveg lezárás alkalmazásával gyakorlatilag nincs fényszennyezés.

-

A lámpatestek csak üveg és alumínium alapanyagokból épülnek fel. Műanyagot még az optikai elemek sem tartalmaznak. A lámpatestek felülete sima, a lámpatesten kívül nincsenek hűtőbordák. A lámpatestek felületét a természetes csapadék tisztán tartja: a hűtés az élettartam során nem romlik.

A kidolgozott optikai modulok és a hűtő elemek bele illeszthetők klasszikus lámpatesteibe is, ami lehetővé teszi „retrofit” jellegű LED-es lámpák kialakítását.

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET.