仿真與測(cè)試相結(jié)合的LED照明設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)

田會(huì)娟, 方晶璐, 張建新, 梁立君

(天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心， 天津市電工電能新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

LED(light emitting-diode)光源被認(rèn)為是人類發(fā)展史上繼火焰、白熾燈、熒光燈之后的第4代光源。和前三代光源相比較，LED 具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、高可靠性、響應(yīng)時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-3]。近年來，隨著LED 技術(shù)的發(fā)展，LED 的亮度不斷提高，功率不斷增大，已開始廣泛地應(yīng)用于交通指示、顯示屏、各種照明電器、背光照明、道路照明、室內(nèi)照明、醫(yī)學(xué)治療等領(lǐng)域[4-5]。LED 是一種既不同于激光又不同于傳統(tǒng)照明燈的新興光源，它具有完全新型的特性，其燈具和照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要一種全新的理念和方法。本文根據(jù)LED光源的特點(diǎn)，介紹了一種由理論-仿真-測(cè)試三位一體的LED照明設(shè)計(jì)的教學(xué)系統(tǒng)。該教學(xué)系統(tǒng)使枯燥的理論變得很直觀，有助于學(xué)生理解和掌握LED照明的相關(guān)課程。

1 LED照明設(shè)計(jì)的教學(xué)系統(tǒng)

為便于更好地開展LED照明及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)，搭建了一套針對(duì)LED光電色綜合性能分析的測(cè)試系統(tǒng)。該套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED光源、模組、燈具配光、光譜分布、色溫、顯色指數(shù)、亮度等的測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，采用 Tracepro和Dialux仿真軟件，針對(duì)特定的LED燈具和照明環(huán)境進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)和分析，建立系統(tǒng)完善的LED照明設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了理論指導(dǎo)實(shí)踐和實(shí)踐完善理論的教學(xué)思想。

系統(tǒng)主要由光電色測(cè)試系統(tǒng)、配光測(cè)試系統(tǒng)、仿真分析、燈具測(cè)試及現(xiàn)場測(cè)試等部分構(gòu)成。

1.1 光電色測(cè)試系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由光譜分析儀、電源系統(tǒng)、積分球系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)4部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.2 配光測(cè)試系統(tǒng)

該部分主要由旋轉(zhuǎn)主機(jī)、控制機(jī)柜、探測(cè)器、計(jì)算機(jī)4部分組成。該系統(tǒng)可在C軸和γ軸雙軸自動(dòng)旋轉(zhuǎn)下，自動(dòng)描繪光強(qiáng)分布曲線、三維光強(qiáng)分布圖、自動(dòng)測(cè)定光束角、光通量、電性能參數(shù)，可導(dǎo)出探測(cè)器光譜光視效率函數(shù)匹配曲線測(cè)試報(bào)告及配光曲線相關(guān)文件，如.IES文件，可用于各種室內(nèi)外LED燈具的空間光度分布測(cè)試。

通過上述兩個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解LED光源光電色參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成和原理，初步構(gòu)建LED光電色測(cè)試系統(tǒng)的方案。

1.3 仿真設(shè)計(jì)分析

仿真設(shè)計(jì)部分包括：燈具設(shè)計(jì)和照明場景設(shè)計(jì)。主要使用Tracepro 軟件進(jìn)行燈具仿真的光學(xué)設(shè)計(jì)，Dialux 軟件進(jìn)行燈具照明效果的設(shè)計(jì)[6-8]。上述僅是對(duì)LED燈具及其照明效果的光學(xué)設(shè)計(jì)，嚴(yán)格來說，一款質(zhì)量優(yōu)質(zhì)的LED產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上除上述介紹的兩款軟件外，還要對(duì)燈具的散熱、結(jié)構(gòu)、外觀、系統(tǒng)可靠性等方面采用不同功能的仿真設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析[9-13]。

1.4 燈具測(cè)試及實(shí)際現(xiàn)場測(cè)試

根據(jù)燈具設(shè)計(jì)和照明效果設(shè)計(jì)思想，開發(fā)出相應(yīng)的LED燈具產(chǎn)品并進(jìn)行實(shí)際安裝和現(xiàn)場測(cè)試。采用的測(cè)試設(shè)備有：LED分布光度計(jì)、多色彩照度計(jì)和成像亮度計(jì)。將實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果比較，得出理論和實(shí)際結(jié)果的誤差，然后對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低系統(tǒng)整體誤差。

2 教學(xué)課件的搭建

根據(jù)搭建的教學(xué)系統(tǒng)可組成多種教學(xué)實(shí)驗(yàn)課件。

2.1 LED光電色綜合性能分析教學(xué)實(shí)驗(yàn)

LED光電色綜合性能分析教學(xué)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)單顆LED、LED模組、LED燈具的光電色參數(shù)測(cè)量，指導(dǎo)學(xué)生完成LED光源、模組及其燈具的光電色參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)試、結(jié)果導(dǎo)出、處理和分析。根據(jù)不同LED光源、模組或燈具，有不同的輸出結(jié)果，圖2為3款不同色溫的LED光源的光譜功率分布結(jié)果。

圖2 不同色溫的LED光源光譜功率分布

通過實(shí)際的LED光源、模組、燈具的測(cè)試教學(xué)，學(xué)生對(duì)LED光源發(fā)光原理以及色品坐標(biāo)、色溫、顯色性指數(shù)、色容差、峰值波長、主波長、色純度、半寬度、色比、光譜分布、光通量、光輻射功率、溫度、電參數(shù)等概念有了更深入直觀的認(rèn)識(shí)。

2.2 LED配光性能(空間光分布)測(cè)量教學(xué)實(shí)驗(yàn)

在LED光源、燈具的測(cè)試系統(tǒng)中，都需要了解該光源或燈具的配光性能[7]。本文采用配光測(cè)試部分分析LED光源、模組、燈具的光分布情況，使學(xué)生更直觀地了解和掌握LED光源、燈具的配光形式，為后續(xù)的LED燈具設(shè)計(jì)或進(jìn)一步開發(fā)打下基礎(chǔ)。

2.3 LED燈具及其照明效果教學(xué)實(shí)驗(yàn)

在LED模組及其燈具的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，都需要設(shè)計(jì)該模組或燈具的配光曲線。本文采用TracePro 軟件和DIALux軟件，給學(xué)生提供了一個(gè)燈具開發(fā)和照明效果設(shè)計(jì)的空間。采用這兩款仿真設(shè)計(jì)軟件，可實(shí)現(xiàn)從單顆光源設(shè)計(jì)到燈具設(shè)計(jì),如圖3所示；從燈具設(shè)計(jì)到特定場所照明效果的設(shè)計(jì)，比如圖4所示的臥室照明3D效果。通過仿真設(shè)計(jì)，學(xué)生可進(jìn)行不同LED光源、模組、燈具的設(shè)計(jì)開發(fā)，同時(shí)也可針對(duì)不同照明環(huán)境需求，選擇開發(fā)不同的LED照明產(chǎn)品。

圖3 LED光源、燈具結(jié)構(gòu)及配光曲線仿真圖

圖4 臥室照明3D效果及偽色圖

3 結(jié)束語

通過對(duì)LED光電色參數(shù)、配光性能、燈具及照明效果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)練習(xí)，學(xué)生對(duì)LED發(fā)光原理及其光電色特性有更直觀深入的認(rèn)識(shí)。在進(jìn)行的LED燈具及照明效果的仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生查閱大量資料，找出針對(duì)不同環(huán)境需求的照明標(biāo)準(zhǔn)，并最終得到了比較好的照明效果。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不但可應(yīng)用于本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)，也可應(yīng)用到研究生和部分教師的科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。

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