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/dgabor_szarvas@optimal-optik.hu

*Az előadás az NKTH által támogatott TECH_08_A4-KOZLED PROJEKT keretében végzett kutató-fejlesztő munkát mutatja be.

Tartalom1. Bevezetés: Különböző fényeloszlások, klasszikus és

LED-es lámpák, milyen az optimális fényeloszlási test?

2. Optikai követelmények összefoglalása*3. LED kiválasztása: hogyan lehet olcsóbb a LED-es

lámpatest?4. Változtatatható fényeloszlási testtel rendelkező LED-es

optikai modul konstrukciója5. 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.

Síküveg lezárás, (2/C)Legnagyobb fényerősség iránya:65,18

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

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

 El.

Telj.Út

szél.Oszl.mag. Dőlés

Tá-volság  

Gyártó/típus/ típus  [W] [m] [m] [] [m] [W/m2]

ME4a            

CORLIGHT, és EWO/DS32 (5 modul) 54 6,00 6,60   28,0 0,32

CORLIGHT, és EWO/DS32 (5 modul) 54 7,00 7,00 5,00 25,0 0,31

HELLA/ Eco Streetline Case M (2mod) 68 9,00 9,50   26,0 0,29

VALOPAA / VP1301 M6 50 6,00 8,50 10,00 24,0 0,35

ME5            

CORLIGHT, és EWO/DS32 (3 modul) 32 6,00 6,00 5,00 25,0 0,21

HELLA/ Eco Streetline Case M (1mod) 34 6,00 5,20   23,0 0,25

VALOPAA / VP1301 M6 50 6,00 8,50 10,00 36,0 0,23

ME6            

CORLIGHT és EWO/DS32 (2 modul) 22 6,00 6,20   28,0 0,13

HELLA/ Eco Streetline Case M (1mod) 34 6,00 7,00   29,0 0,20

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

Tervezési követelmények 1. Út menti oszlopra szerelt lámpatest (nem útközepes);

4. Olcsó ár klasszikus fényforrással szerelt lámpatesttel összemérhetőMegoldás: Kevesebb (jobb, de drágább) tok, nagyobb meghajtó áram,

nagyobb hőmérséklet, jobb hűtés.

3. Fényszennyezés mentes lámpatest: 90º felett nincs direkt fénysugárzás, vagy szórt fény.

Megoldás → vízszintesen elhelyezett lámpatest, síküveg lezárás.

2. Útvilágítási követelmények teljesítése (MSZ EN 13201-ben rögzített) tipikus útszélességek,oszloptávolságok és oszlopmagasságok mellett:

CE0 – CE5 útvilágítási köv. ME1 – ME6 útvilágítási köv.Eátl Megvilágítás közép ért.(lx) Látl Fénysűrűség közép ért. (cd/m2)U0 min/közép (min.) U0 min/közép (min.)

Ui hosszir. egyenletesség (min.)Ti káprázás korlátozása (max.)SR környezet világossága (min.)

Fényeloszlást test és az út geom. meghat. + még az út reflexiójától is függ!Megoldás → változtatható „denevérszárny” fényeloszlás, az adott

ME(CE) útkategóriára optimalizálva, tipikus út és oszlop paraméterekkel

Melyik LED-el tervezzük a lámpát?2009: CREE XP-E, 110lm/W 400-500Ft/tok; MC-E 4 chip2010: CREE XP-G 130 -140lm/W 600-700Ft/tok2011: CREE XM-L? 160 lm/W ???? Ft/tok

Olcsóbb lámpatest: XP-G, 700mA (esetleg 1000mA)- Kevesebb tok - Kisebb méret, kevesebb optika- Magasabb hőmérséklet- hatékonyabb hűtés

Élettartam mérések ENERGYSTAR előírása szerint. XP-G élettartama 1000mA esetén is eléri az XP-E 350mA-en mért élettartamát

Felépítés:A LED-ek egy „zárt” közös optikai térben helyezkednek elKét fix oldal tükör (az út hossztengelyére merőleges);

A változtatható fényeloszlású optikai modul konstrukciója (felülnézet)

Oldaltükör

Oldal tükör

Első tükörrögzítő nyílások

Hátsó tükör

Első tükör

Hátsó tükörtartó lemezek beillesztve a rögzítő nyílásokba

Hátsó tükörrögzítő nyílások

Oldalsó LED-ek hűtőcsonkja

Középső LED-ek hűtőcsonkja

Középső LED-ek (egy tengely mentén beforgatva);

Első tükörtartó lemezek beillesztve a rögzítő nyílásokba

A hűtőcsonkra szerelt LED-ek az optikai térbe befelé világítanak. Hűtőcsonkokkivezetik a veszteséghőtaz optikai térből.

Két állítható tükör, első és hátsó tükör (az út hossztengelyével párhuzamos tengely körül forgatható);Antireflexiós sík üveg lap

Oldalsó LED-ek (két tengely körül beforgatva);

Állítható fényeloszlású optikai modul lámpatestbe illesztve, alulnézet

Az oldalsó hűtőcsonk és az oldalsó LED-ek ZEMAX modellje

Az oldalsó LED-eken –a feladattól függően aszférikus - kollimátor tükör van.

Első tükör (két helyzetben)

Hátsó tükör (két helyzetben)

Oldalsó LED-ek

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

2x2 LED mátrix

Négyszögletes CPC kollimátor tükör

LED-es lámpa ZEMAX modellje 1.ZEMAX optikai tervező program: Sorrendi sugárátvezetés;

Nem sorrendi sugárátvezetés; Fizikai optika.

Záró síküveg lap: törésmutató, antireflexiós réteg.Lámpaház: CAD import (elnyelés, apertúrázás ellenőrzése)

-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.

Nem sorrendi sugárátvezetés: FényforrásokFénysugarak(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 tartoziktörés/tükrözés/szórás/sugárosztás,

teljesítmény hányad meghat.

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;

Gyorsítási lehetőségek:-Figyelembe vett objektumok;-Kihagyott objektumok;

Nincs sugárosztás

Egyszerűsített sugárosztás

Valós sugárosztás

Optikai modul optimalizálása az EN13201-ben rögzített követelményekre Út

szél.Oszlop mag.

Oszlop táv.

ME3 8m 10m 30/35m

ME4 7m 7m 25/30m

ME5 6m 7m 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;

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. Szabványos és számolt

átlagos fényesség

Szabványos és számolt egyenletesség

Hosszegyenletesség Környezeti arány

Figyelembe veendő lámpatestek: Megfigyelő felé:5H, Megfigyelőtől:12H, Oldalt 5H (H oszlop magassága)

62W-os LED-es lámpa két fényeloszlási teste; (28db. XP-G LED, 700mA)

CE4, 2 db. aszféria oldalankéntÚt 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.