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/d gabor_szarvas@optimal-optik.hu *Az előadás az NKTH által támogatott TECH_08_A4-KOZLED PROJEKT keretében végzett kutató-fejlesztő munkát mutatja be.

Tartalom Bevezetés: Különböző fényeloszlások, klasszikus és LED-es lámpák, milyen az optimális fényeloszlási test? Optikai követelmények összefoglalása* LED kiválasztása: hogyan lehet olcsóbb a LED-es lámpatest? Változtatatható fényeloszlási testtel rendelkező LED-es optikai modul konstrukciója 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. HOFEKA Kft. CLAUDIA MT150W lámpatest (csőburás fém halogén lámpa), 26 fényeloszlás test (EULUMDAT fájl); Jelleg hasonló, de a csúcsintenzitás nagysága és iránya változik. Síküveg lezárás, (2/C) Legnagyobb fényerősség iránya:65,18 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

Útvilágítási feladatok megoldása LED-es lámpákkal (fényeloszlás test „befagyasztva”)   El. Telj. Út szél. Oszl. mag. Dőlés Tá-volság Gyártó/típus/ típus  [W] [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) 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 8,50 10,00 24,0 0,35 ME5 CORLIGHT, és EWO/DS32 (3 modul) 32 0,21 HELLA/ Eco Streetline Case M (1mod) 34 5,20 23,0 0,25 36,0 0,23 ME6 CORLIGHT és EWO/DS32 (2 modul) 22 6,20 0,13 29,0 0,20

Tervezési követelmények 1. Út menti oszlopra szerelt lámpatest (nem útközepes); 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 3. Fényszennyezés mentes lámpatest: 90º felett nincs direkt fénysugárzás, vagy szórt fény. Megoldás → vízszintesen elhelyezett lámpatest, síküveg lezárás. 4. Olcsó ár klasszikus fényforrással szerelt lámpatesttel összemérhető Megoldás: Kevesebb (jobb, de drágább) tok, nagyobb meghajtó áram, nagyobb hőmérséklet, jobb hűtés.

Melyik LED-el tervezzük a lámpát? 2009: CREE XP-E, 110lm/W 400-500Ft/tok; MC-E 4 chip 2010: CREE XP-G 130 -140lm/W 600-700Ft/tok 2011: CREE XM-L? 160 lm/W ???? Ft/tok Élettartam mérések ENERGYSTAR előírása szerint. XP-G élettartama 1000mA esetén is eléri az XP-E 350mA-en mért élettartamát Olcsóbb lámpatest: XP-G, 700mA (esetleg 1000mA) - Kevesebb tok - Kisebb méret, kevesebb optika - Magasabb hőmérséklet- hatékonyabb hűtés

Oldalsó LED-ek hűtőcsonkja A változtatható fényeloszlású optikai modul konstrukciója (felülnézet) Felépítés:A LED-ek egy „zárt” közös optikai térben helyezkednek el Két fix oldal tükör (az út hossztengelyére merőleges); Oldal tükör Középső LED-ek hűtőcsonkja Hátsó tükör Két állítható tükör, első és hátsó tükör (az út hossztengelyével párhuzamos tengely körül forgatható); Antireflexiós sík üveg lap Első tükör A hűtőcsonkra szerelt LED-ek az optikai térbe befelé világítanak. Hűtőcsonkok kivezetik a veszteséghőt az optikai térből. Hátsó tükörtartó lemezek beillesztve a rögzítő nyílásokba Első tükörtartó lemezek beillesztve a rögzítő nyílásokba Középső LED-ek (egy tengely mentén beforgatva); Első tükörrögzítő nyílások Hátsó tükörrögzítő nyílások Oldalsó LED-ek hűtőcsonkja Oldalsó LED-ek (két tengely körül beforgatva); Oldaltükör

Állítható fényeloszlású optikai modul lámpatestbe illesztve, alulnézet Oldalsó LED-ek Hátsó tükör (két helyzetben) Oldalsó Hűtőcsonk 2x2 LED mátrix Négyszögletes CPC kollimátor tükör Első tükör (két helyzetben) 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) Az oldalsó hűtőcsonk és az oldalsó LED-ek ZEMAX modellje Az oldalsó LED-eken –a feladattól függően aszférikus - kollimátor tükör van.

LED-es lámpa ZEMAX modellje 1. ZEMAX optikai tervező program: LED-es lámpa ZEMAX modellje 1. ZEMAX optikai tervező program: Sorrendi sugárátvezetés; Nem sorrendi sugárátvezetés; Fizikai optika. Nem sorrendi sugárátvezetés: FényforrásokFénysugarak(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 tartoziktörés/tükrözés/szórás/sugárosztás, teljesítmény hányad meghat. 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. Záró síküveg lap: törésmutató, antireflexiós réteg. Lámpaház: CAD import (elnyelés, apertúrázás ellenőrzése)

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; Egyszerűsített sugárosztás Nincs sugárosztás Valós sugárosztás Gyorsítási lehetőségek: Figyelembe vett objektumok; Kihagyott objektumok;

Optikai modul optimalizálása az EN13201-ben rögzített követelményekre Út szél. Oszlop mag. Oszlop táv. ME3 8m 10m 30/35m ME4 7m 25/30m ME5 6m ME6 Útvilágítási helyzet beépítése ZEMAX-ba: optikai modul+ detektorok(úttest+járda) Fénysűrűséget számoló MAKRO-k tipikus elrendezésekre: EN13201-ben rögzített módon: 2, 5 lámpa oszlopok; 6 megfigyelési irány, 7 megfigyelő hosszirányú helyzete, X számítási pontok elhelyezkedése hossz és kereszt irányban; Figyelembe veendő lámpatestek: Megfigyelő felé:5H, Megfigyelőtől:12H, Oldalt 5H (H oszlop magassága) Operandus készlet; Változók: LED-ek,tükrök geom. adatai; aszférikus koll. paraméterei. Szabványos és számolt átlagos fényesség Szabványos és számolt egyenletesség Környezeti arány Hosszegyenletesség

62W-os LED-es lámpa két fényeloszlási teste; (28db. XP-G LED, 700mA) CE4, 2 db. aszféria oldalanként Út 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.