光擴(kuò)散型LEDT8燈管照明設(shè)計

倪強(qiáng)+吳一新+陳亮+杜罡+劉楊+石巖

摘 要：簡要介紹了LED燈管的設(shè)計過程，即LED二次配光透鏡的設(shè)計，應(yīng)用邊緣光線原理設(shè)計全反射面的自由曲面，然后在Solidworks軟件中構(gòu)建3D模型，再將模型導(dǎo)入TracePro仿真軟件中進(jìn)行光線追跡測試。同時，還闡述了LED燈管整體模型的建立和室內(nèi)照明實(shí)例的模擬測試情況，即用6支LED燈管排布在3.6 m×5.4 m的范圍內(nèi)，對比裝有二次配光透鏡和未加該裝透鏡2種情況，并得出相應(yīng)的結(jié)論——加裝二次配光透鏡后，LED燈管的照度均勻度，發(fā)光效率和總光通量有所提升，實(shí)現(xiàn)了最終的設(shè)計目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：LED燈管；自由曲面；照明設(shè)計；配光透鏡

中圖分類號：Q945.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.111

以白熾燈為代表的光源發(fā)熱嚴(yán)重，工作效率不高，而且使用壽命短。而LED（Light-Emitting-Diode）的發(fā)明改變了這一切，給未來照明事業(yè)的發(fā)展指明了新方向。隨著工業(yè)制造水平的提高和研發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，再加上全球節(jié)能減排、環(huán)保理念的推行，使用LED照明光源替代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈已經(jīng)成為了必然發(fā)展趨勢。

1 T8燈管設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

為了方便更換原有的熒光日光燈管，特將LED的驅(qū)動電路模塊置于燈管內(nèi)部，其外形尺寸和燈頭型號完全按照被替換的T8型號傳統(tǒng)熒光燈燈管設(shè)計。LED燈管內(nèi)部的兩端自帶所需的驅(qū)動電路模塊，整體形成獨(dú)立光源系統(tǒng)，直接接入熒光燈燈具的220 V交流電路插座之上便可以使用。同時，它比傳統(tǒng)熒光燈少了鎮(zhèn)流器和啟輝器等部件，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。

LED燈管內(nèi)部中間位置裝有MCPCB板。MCPCB板上部采用單排或多排的排列結(jié)構(gòu)，并封裝了SMD低功率LED光源，其下部安裝有由鋁材料制成的散熱器。內(nèi)部構(gòu)成的單顆LED光源發(fā)光效率最高可達(dá)100 lm/W，常見的光出射角為120°左右。其正面是由高透光率PC材料制成的透光罩，能使光擴(kuò)散均勻。這種LED燈管提高了能耗的利用率，而定向角度的光照更有利于節(jié)能，獲得了較好的照明效果。

2 LED二次配光透鏡設(shè)計

如圖1所示，LED光源發(fā)出的光線被分為兩部分，只經(jīng)過折射而射出的光線最終出射角度為120°，而大于120°的光線則被控制在外曲面上反射，然后再經(jīng)過表面折射射出將其角度控制在120°以內(nèi)。由邊緣光線原理可知，在以光軸為中心的120°角范圍內(nèi)，所有光線都會經(jīng)過中央平面折射，在透鏡內(nèi)部傳遞后經(jīng)過表面出射。根據(jù)折射定律可以判斷出射角不變，出射后范圍也在120°以內(nèi)；大于120°角范圍外的出射光線要在側(cè)面的曲面上全發(fā)射后，再經(jīng)表面折射，并在120°角范圍內(nèi)出射。經(jīng)全反射面反射再出射的這部分光線，由于入射角的變化，其發(fā)射角也在變化。因此，要求全反射面每個點(diǎn)上的切線斜率也要隨之變化。在計算自由曲面時，要先算出斜率變化。這樣，才能繪制曲線，使出射光線最終都能集中在一定角度內(nèi)。

如圖2所示，從光源出射的光線和以光軸為中心120°范圍內(nèi)的這部分光線，先通過正面的凹面折射后，再從上方正面出射。要想使出射角度與光軸夾角在±60°的范圍內(nèi)，則入射光線要與光軸的夾角在±38.2°以內(nèi)。因此，可用圖2所示的方法計算全反射面上的點(diǎn)坐標(biāo)。圖2中的θ角是光源出射光線OP與光軸OO，間的夾角，Q（x，y）為折射點(diǎn)，δ為反射光線QR與光軸之間的夾角。

3 設(shè)計實(shí)例

利用文中所述方法設(shè)計LED燈管，并在TracePro軟件中畫出模型。

在TracePro軟件里畫出LED燈管的仿真模型，仿真單顆LED光線1 000條。測試平面的面積為25 m2（5 m×5 m），同樣放置在距發(fā)光面1.7 m處。這樣，就可以得出仿真結(jié)果。測試面入射光線光通量結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)總光通量達(dá)到615 lm時，光通量/發(fā)射光通量比為0.661，效率不高，有效照明半徑約為1.2 m。參照單只燈管的照明范圍，按照室內(nèi)照明設(shè)計排布LED燈管——6支燈管分兩列排列，z軸方向相距2.4 m，x軸方向相距2.4 m，y軸方向距離發(fā)光面1.7 m。

本文對比了未加二次配光透鏡的LED燈管設(shè)計與加裝二次配光透鏡的LED燈管設(shè)計的情況，逐一替換LED光源，并應(yīng)用增加二次配光透鏡的方式排列LED。由此可以看出，加裝了透鏡的LED燈管光分布更加集中、均勻。而光通量/發(fā)射光通量比值的增加說明，這種方法能有效提高光線的實(shí)際利用率。未加二次配光透鏡燈管的入射光通量如圖4所示。加裝二次配光透鏡后燈管的入射光通量如圖5所示。

比較圖4和圖5可知，通過對二次配光透鏡設(shè)計和排布的優(yōu)化，該模擬照明設(shè)計室內(nèi)總光通量達(dá)到5 016.2 lm，單只LED燈管發(fā)光效率達(dá)到了93 lm/W。同時，光通量/發(fā)射光通量即有效利用率達(dá)到0.899.考慮照度的均勻性，平均照度值為107.5 lux，最大照度值為132.7 lux，最小照度值為84.5 lux，兩者與平均值的差值均小于平均值的1/3，即小于35.8 lux，達(dá)到了室內(nèi)照明對照度、均勻度的要求。

4 結(jié)論

最終設(shè)計保證了在一個矩形范圍內(nèi)的照明效果，并且光通量也滿足辦公室的照明設(shè)計需求。文中運(yùn)用Tracepro軟件對照明系統(tǒng)進(jìn)行光線追跡仿真，分析了目標(biāo)照明面上的各項參數(shù)。經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算可知，來自光源70%以上的能量集中在照明目標(biāo)區(qū)域，發(fā)光效率達(dá)到了90 lm/W。

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〔編輯：白潔〕