Nagy teljesítményű LED-ek kompakt kollimátorok készítése
Kompakt kollimátorok nagy teljesítményű LED-ekhez +21
- 05.12.16 04:32 •
- dr_bob_davidov •
- # 316828 •
- Habrahabr •
- 5 •
- 5500
- ugyanaz, mint Forbes, csak jobb.
A nagy teljesítményű LED-ek jellemzői
A nagy teljesítményű LED-ek nagy látószöggel rendelkeznek. A CREE népszerű LED-jei nem jelentenek kivételt. Itt például a LED XP-E2 jellemzői [5].
• Méret 3.45 x 3.45 x 2.08 mm
• Színes fehér
• Maximális áram 1 A
• Maximális teljesítmény 3 W
• A maximális fényáram 283 lm
• Névleges közvetlen feszültség 2,9 V Fehér @ 350 mA
• Maximális fordított feszültség 5 V
• Látószög 110 °
kollimátorok
A kollimátorok sok változata létezik, amelyek a megfigyelési zónában eltérő sugárzást gyűjtenek. Ezek közül megkülönböztethetünk lencséket (fénytörő fényt), reflektorokat és összetett kollimátorokat, amelyek lencsékből, fénytörő felületekből és reflektorokból állnak (1. ábra, 2. ábra).
A megvilágítás kívánt egyenletes megvilágítását vagy más megvilágítási eloszlását speciális anyagok, szétszórt felületek és a kollimátor elemek és helyük kijavításával érik el.
Ábra. 1. Példák a LED kollimátorok szerkezetére [1,2,3,4].
Ábra. 2. A környezet demonstrációs modelljeinek geometriája a LightTools optikai eszközök tervezéséhez.
Ray sugáreloszlások
A reflektorok profilját a LED megtekintési szöge és LED-mintája, a tárgy nagysága és távolsága, valamint az objektum szükséges fényeloszlása figyelembevételével számítják ki.
A LED felületek eloszlásának néhány változata az objektum felületén az 1. ábrán látható. 3.
Ábra. 3. A sugarak eloszlásának változatai az objektum zónájában. A - középpontba helyezés; B, D - gyenge fénysugarak (lásd a sugárzási mintát) az objektum zónájának perifériáján összegyűjtve, erősen - középen (a központi zóna intenzitásának növelése érdekében); A C és E változatok gyenge fénysugarakat gyűjtenek a központban, erősek a periférián (a fény intenzitásának kiegyenlítése).
A reflektor profilok számítása
A pontforrás sugarai közé fókuszáló reflektor profiljának kiszámítása (3. ábra, A változat) végezhető anélkül, hogy különleges médiát használna az optikai rendszerek kifejlesztéséhez.
Ábra. 4. A direkt és a fókuszált sugarak eloszlása (ebben a bal oldali ábra, 3. ábra, A változat), valamint a pontforrás reflektor profiljának kiszámításának diagramja (jobbra).
Ezután a reflexiós profil kiszámításához és megépítéséhez szükséges programot (5. ábra) a MATLAB tápközegben mutatjuk be az 1. ábrán. 4.
Ábra. 5. A pontforrások sugárzási reflektorainak profilja 180, 120, 60 és 20 ° -os látószöggel, a tárgy forrásának 300 mm-es távolságban történő megvilágítására.
A B reflektor (3. Ábra) profiljának kiszámítására szolgáló ábrát az 1. ábrán mutatjuk be. 6.
Ábra. 6. számítási diagram a profil a reflektor-ray pontforrás, „gyenge” - perifériás sugarak (LED iránykarakterisztika) megy a határait a tárgy, az „erős” központi sugarak összegyűlnek a központban az objektum (3. ábra, B. lehetőség).
Ábra. 7. 6 mm-es fényvisszaverők (bal) és a visszaverődő sugarak (jobb oldali) szögei. Itt a szögeket a forrás síkhoz viszonyítva számítják ki. Így a 30o sarkának megfelel egy 120o = 2 * látószög (90o-30o). Ennek megfelelően az egyenes sugarak (a reflektorhoz nem kapcsolódó) minimális szöge 50 °, 2 * (90 ° - 65 °).
Az A, B, C, D, E (3. ábra) fényvisszaverőinek összehasonlító profilját az 1. ábrán mutatjuk be. 7. A fényvisszaverők maximális átmérője legfeljebb 6 mm.
Összehasonlítva profilok (ábra. 7) és az elosztó a gerendák (3.) Azt mutatja, hogy a hossza kollimátorral és összegyűjtjük a maximális tartománya megvalósításokban sugarak D és E. Az kollimátor E biztosítja a jobb egyenletességét megvilágítás a tárgy, mint a kollimátor D. A kollimátor legnagyobb a területe szállást Olyan objektív, amely olyan sugarakat gyűjt, amelyek nem érintkeztek a reflektorral. A B reflektor belsejében sugárzott sugárirányú sugárzás divergencia szöge 60 fok (90-60 * 2).
Összetett kompakt kollimátor
Az összetett kollimátor tartalmaz egy korlátozott méretű reflektorot és egy lencse, amely a reflektor által nem összeszerelt sugarakat összpontosítja. A LightTools vagy TracePro szoftvercsomagokat a reflektorokkal és lencsékkel rendelkező kollimátorok kiszámítására használják. A lencsét külön lehet kiszámítani, például a Zemax vagy a Kód V.
Ábra. 8. Kompakt PMMA szerves kollimátor szerkezete (fent) és BK7 üvegbetápláló lencsével (alul) rendelkező kollimátor, amely 50 mm-es objektumok 300 mm-es távolságból történő megvilágítására szolgál. A tükröző felület kiszámítását MATLAB-ban végezzük, a lencse kiszámításához Zemax táptalajt használunk.
Ábra. 9. A kollimátorlencse számításának eredményei 8. a Zemaxban.
Reflektor építése LightTools-ban
A LightTools szoftvercsomag lehetővé teszi a kollimátorok kiszámítását és paramétereinek optimalizálását automata üzemmódban.
Az optikai reflexiós profilt a LightTools környezetben, anélkül, hogy az X-E2 LED-től távoli 50 mm-es objektum 300 mm-es megvilágításával korlátozná annak méretét, a 3. ábrán látható. 10. A reflektor profilját a Bezier-görbe írja le [6]. Az XP-E2 LED modell a LightTools könyvtárból származik. A kollimátor modell optimális kimeneti átmérője és hossza 12,9 és 18,9 mm volt.
Ábra. 10. A reflektor méretei és hatékonysága O12,9 x 18,9 mm. A 17,5% hatékonyságot az objektumot elérő sugarak és a forrás által kibocsátott sugarak számának aránya határozza meg.
A 6,2 mm-es reflektor átmérőjének határa 17,5% -ról 5,6% -ra csökkentette hatásfokát (11. ábra). Ennek oka elsősorban annak a ténynek köszönhető, hogy az objektum zónájába eső közvetlen LED sugarak száma a csökkenő reflexiós területekkel nőtt.
Ábra. 11. Az optimális reflektor megvilágítási jellemzői és paraméterei, amelyek az XP-E2 LED fénysugarakat összegyűjtik 69 ... 103 fokos tartományban. A maximális reflektor átmérője 6,2 mm-re van korlátozva. A kollimátor hatékonysága
A kifinomult LED-modell eltér a pontforrástól, mivel a sugárzást számos pontforrás generálja a dióda teljes felületén, például 1 x 1 mm-es zónában az XP-E2 számára. Az összes forrás szögének és irányított mintázatának megegyezik.
Az elosztott forrás sugárzási reflektorának profilja (12. ábra) különbözik a koncentrált forrás fényvisszaverő profiljától (11. ábra), azonban hatékonyságuk (
Ábra. 12. Az XP-E2 elosztott forrás sugárzásának LightTools reflektora optimális paraméterei. A maximális reflektor átmérője 6,2 mm-re van korlátozva. A kollimátor hatékonysága
A reflektor profilok összehasonlítása MATLAB és LightTools-ban
A 2. ábrán látható reflektor profilok. 13, kiszámított Matlab (profilok: A, B, C, D, E) és LightTools (profilok: LT pont, LT dist, LT unlim). A MATLAB manuálisan lett kiszámítva pontforrásokhoz. A LightTools optimalizálási profilok végzett automatikus üzemmódban egy pont forrás és elosztott restrikciós (6,2 mm), és korlátozás nélkül, hogy a reflektor átmérője 50 mm egyenletes megvilágítását a tárgy, távoli forrásból a 310 mm-es.
Ábra. 13. Reflektorprofilok: A, B, C, D, E - korlátozott átmérő (6 mm), a MATLAB-ban egy pontforrásra számítva; LT pont-korlátozott átmérő (6,2 mm), a LightTools-ban egy pontforrásra számítva; LT dist - korlátozott átmérő (6,2 mm), a LightTools-ban egy elosztott forrásra számolva; LT unlim - free méret, a LightTools-ban számolva pontforráshoz.
A LightTools paraméter-optimalizálási algoritmusai el vannak rejtve a felhasználótól. Az "LT dist" profil kiszámításához használt LightTools optimalizálási algoritmus (13. Ábra) megértése érdekében a MATLAB sugarainak eloszlását megépítjük (14.
Ábra. 14. Az elosztott forrásnak az 50 mm-es zónában 310 mm távolságban tükröződő sugarai, az általános ábra (a bal oldalon), a kibővített töredék (a jobb oldalon). Figyelembe kell venni a szélek (kék és zöld vonalak) és a felosztott forrás forráspontját (piros vonalak). Az él és a központi gerendák elválasztása 1x1 mm-rel a fényvisszaverő elmozdulásokkal ± 0,5 mm.
A terjesztési sugarak (ábra. 14) azt mutatja, hogy az optimalizálási LightTools talált reflektor profilt a központi pontforrás megvilágítás a tárgy zóna és a harmadik a profil, amely megvilágítja az egész terület az objektum sugárforrások elosztva 1x1 mm-es LED területen.
Matlab kód kiszámításához az optimális profilja a tömb reflektor képpont - Bezier görbe ( „Besier_profile_dist_source.mat”), mivel a paraméterek és LightTools Bezier_WX Bezier_Relative_UX Bezier_VX:
A kollimátor kézi számítása
Az elosztott forrás fényvisszaverőjének kézi számításának végrehajtásához a következőket kell tennie:
1. Keresse meg a legközelebbi fényforrás koordinátáit.
2. Számítsa ki a fényvisszaverő profilt (lásd az algoritmust a reflektor profilok kiszámításához) az objektum csökkentett zónájához, például 1/3.
A forráshoz legközelebbi fényszóró kezdőpontján keresztül a LED síkjának minden pontján kibocsátott sugaraknak át kell haladniuk. A kiindulási ponton áthaladó közvetlen sugárzásnak olyan zónát kell megvilágítania, amely megfelel a kívánt távolságban lévő tárgynak a forrásból.
Ábra. 15. A gerendák felépítése a reflektor kezdeti pontjának megtalálásához. A zónák egy 310 mm sugarú (jobb oldali) sugarú körön helyezkednek el, amely megegyezik az objektum távolságával. A bal oldali ábra nagyított képet mutat, 1,5 mm sugarú LED-es felületével.
50 mm, a forrástól 310 mm távolságban.
A kiszámított kollimátor látószöge a reflektorral csökkenthető úgy, hogy lencsét helyez a kollimátor szerkezetbe, amint az az 1. ábrán látható. 8.
Segíthet és pénzt küldhet a fejlesztéshez