解决配光 计算如何用LED线型灯具均匀打亮一面墙

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在照明工程领域中,某些时候需要均匀地照亮一面墙壁。而为了达到隐蔽灯具的目的,通常采用洗墙的方式来完成。

  选择合适的光源,以及寻求科学合理的灯具配光,是提高照度均匀度的关键。

  之前,用荧光灯或金卤灯洗墙,照度均匀度都不甚理想。荧光灯是线型光源,打不远。金卤灯虽是点发光光源,但单灯功率较大,光斑明显。

  所以,我们选择以大功率LED为光源的灯具,经过特殊的配光设计作为洗墙灯,照度均匀度将大幅提高。

  从理论分析入手,研究配光需求,寻求能够均匀洗亮一面墙壁的LED线型灯具的合理配光。

  我们追求洗墙灯的效率和效果达到最佳的平衡。研究方法是从一只LED光源在墙面洗出的光斑开始。然后再用叠加法,研究一排LED的洗墙效果。

  用DIALux软件,模拟计算,并根据计算结果对配光数据进行改进,从而使被照面的照度均匀度达0.9以上。

  怎样用LED线型灯具均匀地打亮一面墙?灯具需要什么样的配光?以往,这方面的专题研究并不多见。本文从理论分析入手,理论结合实践,探寻此类灯具的配光需求。

  1、配光需求

  我们知道,以LED为光源的灯具,其配光是由灯具内的全部LED颗粒配光叠加而成。所以我们从研究单颗LED的配光需求着手。

  首先,我们假设决定LED配光的透镜是易于加工、易于保证出光一致性和出光质量的轴对称式的。

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  图1 配窄光束透镜的单颗LED配光及其光斑

  
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  图2 配窄光束透镜的多颗LED叠加而成整个灯具的光斑

  其次,灯具需要有一个转向被照面的偏角α,使灯具的中心最大光强方向对准被照面的最远端,以便有更多的光线照到最远端,提高均匀度。如下图。

  
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  图3 计算简图

  求配光曲线,即是求光强Iθ关于角度θ的函数。根据余弦平方反比定律:

  Eθ=Iθ*cos3(90°-(α+θ))/h2(1)

  设灯具离被照面距离h是常量,于是,当Iθ与cos3(90°-(α+θ))成反比,即:

  Iθ=a/cos3(90°-(α+θ))时(a为一常量),Eθ保持恒定。

  为了讨论方便,此处设灯具的偏角α为10°。因为要寻求配光曲线的形状,不失一般性,设a为单位1,则可得下表:

  
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  表一 配光曲线推算数据表

  以该表数据为基准,构造出的LED透镜配光曲线如下图。

  
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  图4 洗墙灯具所需的单颗LED配光曲线

  由公式(1)易知,当α为其他角度时,能均匀洗亮被照面灯具所需的单颗LED配光曲线,只是峰值不同,曲线的基本形状是相同的。

  2、模拟计算

  用当前比较流行的DIALux4.12照度计算软件进行此研究课题的模拟计算,被照面高4米,宽5米,用5套各长1米的LED线型灯具照射。

  每套灯具均匀布置10颗LED,单颗LED功率1W,初始光通量100Lm。灯具距被照面0.75米。计算评价面高4米,宽1米。计算模型和计算结果如下:

  
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  图5计算模型

  
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  图6照度计算渲染图

  
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  图71m×4m的计算表面照度结果

  根据以上计算结果对配光数据进行改进,同样条件下,被照面的照度均匀度提高到0.9以上。

  改进后配光曲线0°~90°光强值如下(间隔1°,单位:cd):

  980.0,967.0,673.0,506.0,339.0,274.5,210.0,175.0,140.0,120.0,100.0,87.5,75.0,66.0,57.1,48.1,44.1,40.1,36.1,32.1,28.1,26.1,24.1,22.1,20.1,18.1,17.0,15.8,14.7,13.6,12.5,11.9,11.3,10.8,10.2,9.6,9.0,8.4,7.9,7.3,6.7,6.5,6.3,6.2,6.0,5.8,5.6,5.5,5.3,5.1,4.9,4.8,4.7,4.5,4.4,4.3,4.1,4.0,3.9,3.7,3.6,3.6,3.5,3.5,3.5,3.4,3.4,3.4,3.3,3.3,3.3,3.3,3.2,3.2,3.2,3.2,3.2,3.2,3.2,3.2,3.2,3.0,2.9,2.7,2.5,2.4,2.2,2.0,1.8,1.7,1.5

  
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  图8 改进后的配光曲线

  
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  图9 改进配光后的计算表面照度结果

  3、照明综合效率

  “照明综合效率”指的是:被照评价面的实际平均照度,与理想状态下,全部光线无任何损耗地照到评价面上产生的理想状态下理论平均照度的比值。在这里:

  灯具光通量输出值=100*10*69%=690(Lm)

  理想状态下理论平均照度值=690/4=172.5(Lx)

  综合效率=78/172.5=45.2%

  此种洗墙方式的照射方法,能达到45.2%的综合效率是非常高的。

  4、结论

  1)用本文的研究方式,寻求能均匀洗亮一面墙的灯具是可行、有效的;

  2)此种照明方式综合效率很高;

  3)此项研究成果亦可用于低安装高度的线型灯具洗亮平整的地面。

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