Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Уральский государственный университет
им. А.М. Горького
Физический факультет
Кафедра компьютерной физики
Проектировка светодиодного светильника с параметрами аналогичными люминесцентному потолочному светильнику 4х18 Вт
| Курсовая работа студента гр. Ф-3ОЭ Сидорова Николая Андреевича _____________________ |
Допустить к защите:
заведующий кафедрой
компьютерной физики
Германенко А.В.
___________________
| Научный руководитель: начальник лаборатории светотехники Козлов Д.А. _____________________ |
Екатеринбург
2010
Оглавление
1.Введение 3
2. Обзор литературы_ 4
2.1. Светодиоды. 4
2.1.1. Особенности Светодиодов. 5
2.1.2. Светодиоды белого света. 5
2.1.3. Электрические и оптические характеристики светодиодов. 6
2.1.4. Светодиоды и постоянный ток. 7
2.1.5. Использование светодиодов. 8
2.2 Люминесцентная лампа. 9
2.2.1 Принцип работы люминесцентной лампы. 10
2.2.2 Область применения. 10
2.3 Основные светотехнические характеристики. 11
3. Экспериментальная часть. 13
3.1 Измерение существующих светильников. 13
3.2 Рассмотрение существующих альтернативных потолочных светильников на светодиодах. 13
3.2.1 Светильник KS-2101 624. 13
3.2.2 Светильник TP-T8PT2. 15
3.3 Используемые материалы. 16
3.3.1 Светодиод. 16
3.3.2 Оптическая схема. 17
3.4 Расчеты и первичное проектирование модели. 17
Выводы и заключения. 19
1. Введение
В современном мире большое внимание уделяется искусственному освещению улиц, дорог, зданий, офисов, общественных помещений и квартир. Более половины вырабатываемой электроэнергии используется для обеспечения освещения, необходимого для комфортной жизни человека.
С увеличением численности населения Земли и развитием современной техники все больше и больше требуется энергии, но поскольку основные энергетические запасы (газ, нефть) истощаются, а альтернативные источники энергии активно не разрабатываются было бы целесообразно экономить на основных энергоемких областях нашей жизнедеятельности.
Одним из решений данной проблемы является переход на светильники, сконструированные на светодиодах. Преимуществом таких источников света является их малое энергопотребление и большой срок службы относительно традиционных ламп накаливания и современных люминесцентных ламп. Данная курсовая работа является одним из наиболее эффективных решений вышеописанной проблемы в современной энергетике.
Целями в данной работе являются:
1. Рассмотрение существующих светодиодных потолочных светильников.
2. Выбор дополнительных материалов для использования в качестве отражателя.
3. Проектировка собственного светильника, удовлетворяющего современным строительным нормам и правилам (СНиП), а также являющимся эффективным по КПД, экономичным и безопасными источником света.
2. Обзор литературы
2.1. Светодиоды.
Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) - полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника. Полупроводниковые светоизлучающие диоды - класс твердотельных приборов, в которых электрическая энергия непосредственно преобразуется в световую. В основе их действия лежит инжекционная электролюминесценция. СИД решают задачу преобразования электрических сигналов оптические, а так же служат эффективными по КПД источниками света. Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n переход. При пропускании электрического тока в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к прямозонным полупроводникам (то есть таким, в которых разрешены прямые оптические переходы зона-зона), типа AIIIBV (например, GaAs или InP) и AIIBVI (например, ZnSe или CdTe). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
2.1.1. Особенности Светодиодов.
По сравнению с другими электрическими источниками света, светодиоды имеют следующие отличия:
1. Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом.
2. Высокая механическая прочность, вибростойкость
3. Длительный срок службы. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.
4. Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это — достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.
5. Малая инерционность.
6. Малый угол излучения — также может быть как достоинством, так и недостатком.
7. Безопасность — не требуются высокие напряжения.
8. Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.
9. Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.
2.1.2. Светодиоды белого света.
Широкое распространение получают так называемые «белые светодиоды». Белый светодиод – на самом деле, своеобразный гибрид светодиода и люминесцентной лампы. Это монохроматический синий диод, покрытый слоем люминофора, который под действием синего излучения светодиода излучает цвет в широкой области спектра – от зеленого до красного. При смешении с собственным излучением светодиода получается свет, который человеческим глазом воспринимается как весьма близкий к обычному дневному свету, иногда с небольшим смещением в сторону холодных тонов.
Существует еще один способ получения белого светодиода. Цветные светодиоды содержат в одном корпусе «вперемешку» красные, зеленые и синие кристаллы, что позволяет получить при смешении их излучения белый цвет и всю цветовую гамму.
2.1.3. Электрические и оптические характеристики светодиодов.
Светодиод - низковольтный прибор. Обычный светодиод, применяемый для индикации, потребляет от 2В до 4В постоянного напряжения при токе до 50 мА. Светодиод, который используется для освещения, потребляет такое же напряжение, но ток выше - от нескольких сотен мА до 1 А. В светодиодном модуле отдельные светодиоды могут быть включены последовательно и суммарное напряжение оказывается более высоким (обычно 12 или 24 В).
При подключении светодиода необходимо соблюдать полярность, иначе прибор может выйти из строя. Напряжение пробоя указывается изготовителем и обычно составляет более 5В для одного светодиода.
Яркость светодиода характеризуется световым потоком и осевой силой света, а также диаграммой направленности. Существующие светодиоды разных конструкций излучают в телесном угле от 4 до 140 градусов. Цвет, как обычно, определяется координатами цветности и цветовой температурой, а также длиной волны излучения.
Эффективность излучателя света характеризуется отношением светового потока (в люменах) к потребляемой электрической мощности (в ваттах). Эта величина, называется светоотдачей и используется для сравнения светодиодов между собой и с другими источниками света. Цветопередача находится в районе Ra>80.
2.1.4. Светодиоды и постоянный ток.
Всем светодиодам требуется постоянный ток, максимальное значение которого определяется для каждой модели светодиода индивидуально. От этого зависит и световой поток.
Рисунок 1Типичная ВАХ светодиода.
Как видно из рисунка 3, в рабочих режимах ток, текущий через светодиод экспоненциально зависит от напряжения, и незначительные изменения напряжения приводят к большим изменениям тока. Поскольку световой выход прямо пропорционален току, то и яркость светодиода оказывается нестабильной. Поэтому ток необходимо стабилизировать. Кроме того, если ток превысит допустимый предел, то перегрев светодиода может привести к его ускоренному старению.
2.1.5. Использование светодиодов.
Светодиоды находят применение практически во всех областях светотехники. Благодаря широкому спектру цветов, компактности и разнообразию модулей светодиоды дают возможность реализации множества оригинальных инновационных светотехнических решений в области дизайна. Компактные размеры светодиодных модулей обеспечивают монтаж в стесненных условиях. При этом монохроматическое излучение светодиодов способствует высокой насыщенности цвета.
Диоды нашли применение в большой области жизнедеятельности человека:
· передаче и визуализации информации: в световых индикаторах, табло, в приборных панелях автомобилей и самолетов, в рекламных экранах.
· В уличном, промышленном, бытовом освещении (мощные светодиоды используются как источник света в
· В играх, игрушках, значках, USB-устройствах, и других гаджетах.
· В светодиодных дорожных знаках.
В пользу применения светодиодов, кроме их декоративных свойств, говорит также малое потребление энергии, большой срок службы и обусловленные этим низкие затраты на техническое обслуживание.
2.2 Люминесцентная лампа.
Люминесце́нтная лампа — газоразрядный источник света, в котором видимый свет излучается в основном люминофором, который в свою очередь светится под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; сам разряд тоже чизлучает видимый свет, но в значительно меньшей степени. Световая отдача люминесцентной лампы (72 Лм/Вт) ниже, чем у светодиода (90Лм/Вт). Срок службы люминесцентных ламп тоже уступает светодиоду: 7500ч против 100000ч соответственно. Наиболее распространена ртутная люминесцентная лампа. Она представляет собой стеклянную трубку с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора, заполненную парами ртути.
Рисунок 2 Различные виды люминесцентных ламп
2.2.1 Принцип работы люминесцентной лампы.
При работе люминесцентной лампы между двумя электродами находящимися в противоположных концах лампы возникает низкотемпературный дуговой электрический разряд. Лампа заполнена инертным газом и парами ртути, проходящий ток приводит к появлению УФ излучения. Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом — люминофором, которое поглощает УФ излучение и излучает видимый свет. Изменяя состав люминофора можно менять оттенок свечения лампы.
2.2.2 Область применения
Люминесцентные лампы нашли широкое применение в освещении общественных зданий: школ, больниц, офисов и т.д. С появлением компактных люминесцентных ламп с электронными балластами, которые можно включать в патроны E27 и E14 вместо ламп накаливания, люминесцентные лампы завоёвывают популярность и в быту.
Популярность люминесцентных ламп обусловлена их преимуществами: значительно большей светоотдачей (люминесцентная лампа 23 Вт даёт освещенность как 100 Вт лампа накаливания), длительным сроком службы (2000-20000 часов в отличие от 1000 у ламп накаливания), рассеянным светом, разнообразием оттенков света.
Люминесцентные лампы наиболее целесообразно применять для общего освещения, прежде всего помещений большой площади. Люминесцентные лампы широко применяются также и в местном освещении рабочих мест, в световой рекламе, подсветке фасадов.
2.3 Основные светотехнические характеристики.
В светотехнике, как и в любой отрасли науки и техники, существует ряд понятий, характеризующих свойства ламп и светильников в стандартизированных единицах измерения. Важнейшие из них приводятся ниже в кратком изложении.
Световой поток Ф.
Eдиница измерения: люмен [лм].
Световым потоком Ф называется вся мощность излучения источника света, оцениваемая по световому ощущению глаза человека.
Сила света I характеризует мощность светового потока лампы Ф телесном углу Ω
Сила света I.
Единица измерения: кандела [кд].
Источник света излучает световой поток Ф разных направлениях с различной интенсивностью. Интенсивность излучаемого в определенном направлении света называется силой света I.
Освещенность Е.
Единица измерения: люкс [лк].
Освещенность Е отражает соотношение падающего светового потока к освещаемой площади. Освещенность равна 1 лк, если световой поток 1 лм равномерно распределяется по площади 1 м2.
Яркость L.
Единица измерения: кандела на квадратный метр [кд/м2].
Яркость света L источника света или освещаемой площади является главном фактором для уровня светового ощущения глаза человека.
3. Экспериментальная часть.
3.1 Измерение существующих светильников.
В качестве образцового светильника был выбран наиболее распространенный и универсальный потолочный светильник марки PRBLUX/R 418 с двойной зеркальной параболической решеткой, изготовленной из анодированного алюминия.
Характеристики:
· Число ламп: 4
· Мощность лампы: 18 Вт
· Световой поток: 3800 Лм
По КСС видно, что защитный угол данного светильника составляет 30, и имеет равномерное распределение силы света. Площадь излучения светильника большая за счет того, что люминесцентная лампа светит всей своей поверхностью и используется параболический отражатель с решетками, следовательно, яркость и слепящий эффект такого светильника не большие.
3.2 Рассмотрение существующих альтернативных потолочных светильников на светодиодах.
3.2.1 Светильник KS-2101 624.
Данный светильник имеет матовую непрозрачную крышку, за которой находится кластер со светодиодами.
Характеристики:
· Число светодиодов: 480
· Мощность светодиода: 0.08 Вт
· Световой поток: 2190 Лм
· Коэффициент пропускания рассеивающего стекла: 55%
· Страна производитель: Китай
Данная конструкция светильника не обеспечивает необходимый световой поток, а также по полученной кривой силы света можно заметить, что защитный угол составляет примерно 50°, и его никак нельзя изменить из-за рассеивающего стекла, таким образом, этот светильник является непригодным для использования в офисах или других помещениях.
График 1 КСС Светильника KS-2101 624.
3.2.2 Светильник TP-T8PT2.
В данном светильнике вместо люминесцентных ламп находятся светодиодные кластеры с аналогичными линейными размерами.
Характеристики:
· Число светодиодов: 168
· Суммарная мощность: 10 Вт
· Световой поток: 800 Лм
· Время жизни: 30000ч
· Страна производитель: Китай
· График 2 КСС Светильника TP-T8PT2.
Данный вариант светильника не удовлетворяет требованиям СНиП по яркости, так как прямое светодиодное излучение имеет большой слепящий эффект.
Рассмотрев существующие на данный момент времени альтернативные светильники со светодиодами можно сделать вывод что использование матового стекла с высоким коэффициентом поглощения неэффективно, а прямое излучение светодиодов в связи с их малыми линейными размерами и высоким световым потоком вызывают слепящий эффект. Следовательно, необходимо использовать отражатель с хорошим коэффициентом рассеяния света.
3.3 Используемые материалы.
3.3.1 Светодиод.
В качестве источника света используется светодиод марки Edison мощностью 1 Вт и световым потоком 90 Лм.
График 3 КСС Светодиода Edison
3.3.2 Оптическая схема.
| Название материала |
Коэффициент отражения |
Коэффициент рассеяния |
| Сополимер с покрытием |
82% |
40-45%(в угле 45°) |
| Al полированный |
87% |
10-15% (в угле 20°) |
| Al неполированный |
85% |
25-30 (в угле 30°) |
Для отражателя в производстве используются несколько материалов: сополимер ABS H1-121 с напыленным аллюминевым покрытием, алюминий полированный и неполированный. В лаборатории были измерены эти материалы с помощью коллиматора и фотоприемника, полученные данные приведены в таблице.
По полученным данным можно сделать вывод, что лучше всего рассеивает сополимер ABS H1-121 с напыленным алюминиевым покрытием, но из-за его высокой стоимости нами был выбран алюминиевый неполированный отражатель. Полученные данные будут заведены в программу TracePro для дальнейшего использования в проектировании.
3.4 Расчеты и первичное проектирование модели.
Для получения светового потока всего светильника 3800 Лм необходимо использовать 40 светодиодов.
Но с учетом всех конструктивных особенностей и коэффициента отражения это число увеличится до 48. Аналогично люминесцентному светильнику наш светильник будет состоять из 4 кластеров по 12 светодиодов. Светодиоды лучше всего расположить в ряд, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3 Кластер со светодиодами
В ходе обсуждения конкретной конструкции светильника было предложено использовать отражатель, на который будут светить светодиоды, таким образом, удастся избежать слепящего эффекта от прямых лучей светодиода и потерь, связанных с поглощением матового стекла
.
Выводы и заключения
.
В ходе написания курсовой работы было сделано:
1. Исследование и измерение светотехнических характеристик существующих светодиодных светильников. При их анализе можно сделать вывод что, имеющиеся на данный момент светодиодные светильники в полной мере не подходят по существующим стандартам и правилам для полноценного использования в производстве и быту. Что говорит о необходимости создания такого светотехнического прибора на базе светодиодов.
2. Измерение параметров отражения и рассеяния основных материалов, использующихся в качестве отражателя. При общем анализе полученных данных был выбран для отражателя неполированный алюминий.
3. Произведен расчет необходимого числа светодиодов. Их количество с учетом коэффициента рассеяния отражателя составил 48 штук. А также выполнено обсуждение наиболее удачной конструкции для данного проекта.
Поскольку наше время было ограничено, а поставленные цели оптимистичными, то нам не удалось выполнить в полном объеме все задачи, планированные вначале, но я надеюсь, что данная курсовая работа имеет некоторые перспективы, и в будущем мы сможем представить готовую модель экономичного и безопасного светодиодного светильника.