PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 11/2009 289
Krzysztof ZAREMBA
Politechnika Białostocka, Katedra Promieniowania Optycznego
Zmienność parametrów świetlnych prostych opraw z diodami
świecącymi
Streszczenie. Artykuł opisuje stwierdzone podczas pomiarów: nierównomierności bryły fotometrycznej, zmiany strumienia świetlnego oraz barwy
światła wybranych opraw LED. Niejednorodności bryły fotometrycznej prostych opraw z diodami LED wynikają głównie z niedoskonałości układu
optycznego oprawy lub też z zastosowania linijki z diodami LED w pryzmatycznej oprawie świetlówkowej.
Abstract. This article presents the following parameters for selected LED luminaires, obtained through measurement: heterogeneity in the solid of
intensity distribution, changes in the luminous flux and light colour. Heterogeneity in the solid of intensity distribution for simple LED luminaires
results primarily from imperfections of the luminaire optical system or application of a LED line in a prismatic luminaire for fluorescent lamps.
(Variability of lighting parameters of simple luminaires with light emitting diodes (LED))
Słowa kluczowe: oprawa oświetleniowa LED, nierównomierna krzywa światłości, spadek strumienia świetlnego, zmiana barwy światła
Keywords: LED luminaire, heterogeneous luminous intensity curve, decrease in the luminous flux, changes in the light colour
Wprowadzenie
Diody świecące LED, których parametry świetlne cały
czas poprawiają się, coraz częściej stosowane są w
różnego typu instalacjach oświetleniowych [1]. Rosnąca
popularność i malejąca cena diod LED sprawiają, że na
krajowym rynku pojawiają się proste oprawy oświetleniowe,
które charakteryzują się zmiennymi parametrami świetlnymi.
W pracy opisano, stwierdzone podczas pomiarów:
nierównomierności bryły fotometrycznej, zmiany strumienia
świetlnego oraz barwy światła w czasie wybranych opraw
LED.
Oprawa typu „oczko LED”
Pierwszym omawianym przykładem jest prosta oprawa
typu „oczko LED” (fot. 1). Diody LED zamocowane są w
otworach, które mają raczej charakter osłaniający niż
kształtujący rozsył strumienia świetlnego.
Fot. 1. Widok oprawy typu „oczko LED”
Ponieważ bryła fotometryczna zastosowanych diod LED
jest obrotowo-symetryczna i ma charakter kosinusowy,
wydać by się mogło, że opisywana oprawa będzie świeciła
podobnie. Nie potwierdziły jednak tego wyniki pomiarów
(rys. 1). Krzywe światłości oprawy różnią się od krzywej
światłości diod LED. Oznacza to, że nawiercona
powierzchnia otworów, w których umieszczone są diody
LED, kształtuje bryłę fotometryczną oprawy zwiększając
światłość w kierunku osiowym i ograniczając rozsył
strumienia świetlnego powyżej 70°. Uśredniona krzywa
światłości oprawy (linia szara-kropkowana), która byłaby
podstawą projektowania instalacji oświetleniowej, różni się
od krzywych światłości oprawy w poszczególnych
płaszczyznach (linie czarne). Różnice te dotyczą zarówno
kierunku świecenia - dochodząc do 15°, jak i wartości
maksimum - dochodząc do 20%.
Wzrokowa analiza jakości
świecącego układu
optycznego nie była możliwa ze względu na bardzo dużą
luminancję diod LED powodującą olśnienie oślepiające.
Dopiero wykonanie zdjęć umożliwiło przeprowadzenie takiej
analizy (fot. 2). Wyraźnie widać, że każdy element świecący
jest inny. Diody nie są umieszczone symetrycznie, co
wpływa na asymetrię świecenia całej oprawy.
Rys. 1. Krzywe światłości oprawy typu „oczko LED” w różnych
płaszczyznach fotometrowania
Fot. 2. Widok świecących elementów w „oczku LED”
Oprócz samej diody LED świeci również obszar
nawiercenia, który w każdym przypadku wygląda inaczej.
Wynika z tego, że w oprawie typu „oczko LED” duży wpływ
na efekt świetlny ma nawiercenie, którego jakość
wykonania, w rozpatrywanym przypadku, nie była w ogóle
brana przez producenta pod uwagę. Wskazuje na to
powiększony widok powierzchni nawiercenia, które zostało
wykonane zwykłym wiertłem (fot. 3).
Fot. 3. Powiększony widok nierównomierności powierzchni
nawiercenia pojedynczego elementu „oczka LED”
290 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 11/2009
Widoczne na fotografiach 2 różne obszary świecące
nawierceń, wynikają nie tylko ze złej jakości ich wykonania,
ale też różnej głębokości umiejscowienia diody względem
nawiercenia, co nie jest widoczne na fotografiach.
Wszystkie przedstawione czynniki, które powodują, że
bryła fotometryczna oprawy nie jest obrotowo-symetryczna,
mają w rozpatrywanym przypadku charakter losowy.
Końcowe parametry konkretnego egzemplarza oprawy
zależą bowiem od zmienności parametrów procesu
produkcji, np. tolerancji otworów, głębokości nawiercenia,
jakości wiertła oraz sposobu montażu, np: symetrii i
głębokości umiejscowienia diod LED. Każda oprawa będzie
zatem miała różną bryłę fotometryczną, co znajdzie
odzwierciedlenie w jakości instalacji oświetleniowej.
Świetlówkowa oprawa pryzmatyczna z linijką LED
Często stosowanym obecnie rozwiązaniem, szczególnie
w oprawach awaryjnych, jest zastąpienie miniaturowej
świetlówki (fot. 4a) linijką z diodami LED (fot. 4b). Zapomina
się przy tym, że świetlówka jest źródłem światła o dużym
polu powierzchni, małej luminancji i świecącym dookolnie, a
linijka LED zawiera mało powierzchniowe diody LED o dużej
luminancji i świecące w półprzestrzeń.
Fot.
4.
Widok pryzmatycznego klosza oprawy ze świetlówką
miniaturową a) i linijką LED b)
Wprawdzie widok świecącej oprawy z diodami LED jest
estetycznie bardziej atrakcyjny niż oprawy ze świetlówką, to
w wyniku tej zamiany uzyskuje się bryłę fotometryczną o
bardzo dużej zmienności i bardzo nierównomierne
oświetlenie powierzchni (fot. 5). Dodatkowo, czego nie
widać na fotografii 5 w odcieniach szarości, występują
aberracje chromatyczne, co tym bardziej zmniejsza estetykę
takiego rozwiązania oświetleniowego.
Fot. 5. Widok powierzchni oświetlonej oprawą z kloszem
pryzmatycznym i linijką LED
Przedstawiony efekt wynika z faktu różnego
kształtowania bryły fotometrycznej przez klosz
pryzmatyczny przy różnych źródłach światła. W przypadku
świetlówki, której średnica jest dużo większa niż szerokość
elementów pryzmatycznych, strumienie świetlne z
pojedynczych elementów nakładają się na siebie i otrzymuje
się łagodną bryłę fotometryczną (równomierne oświetlenie).
Dodatkowo dookólne świecenie świetlówki sprawia, że bryła
fotometryczna jest również kształtowana przez odbłyśnik
(boki oprawy są jasne). W przypadku linijki, w której
wymiary diod LED są porównywalne z wymiarami
elementów pryzmatycznych, każdy element optyczny klosza
oprawy tworzy własny obraz elementów świecących i obrazy
te nie nakładają się. Potwierdzeniem opisanego zjawiska
jest wygląd oprawy ze świetlówką (fot. 4a), gdzie widać
jednorodny obszar świecący i linijką LED (fot. 4b), gdzie
widać pojedyncze obrazy diod LED.
Opisane zmiany bryły fotometrycznej znajdują odzwier-
ciedlenie w wynikach pomiarów (rys. 2). W przypadku
świetlówki pokazano tylko uśrednioną krzywą światłości w
płaszczyznach C0 i C180 (linia szara-ciągła), gdyż krzywe
te praktycznie nie różniły się. Zupełnie inna sytuacja
występuje w przypadku tej samej oprawy z linijką LED.
Krzywe światłości oprawy z linijką LED w płaszczyznach C0
i C180 (linie czarne), które powinny być identyczne,
znacząco się różnią. Różne są nie tylko wartości
maksimum, ale nawet kierunki ich występowania, np. przy
kącie 35° w płaszczyźnie C0 występuje maksimum,
podczas gdy w płaszczyźnie C180 występuje minimum.
Wpływa na to zarówno jakość wykonania klosza jak i
symetria umiejscowienia linijki LED. W przypadku oprawy z
linijką LED, uśrednione wyniki pomiarowe w żadnym
wypadku nie odzwierciedlają rzeczywistych nierówno-
mierności bryły fotometrycznej.
Rys. 2. Krzywe światłości świetlówkowej oprawy pryzmatycznej
ze świetlówką i z linijką LED
Typowe pomiary fotometryczne opraw wykonywane są z
krokiem zmian kąta
γ co 5° i w płaszczyznach C
rozmieszczonych co 15°. Pomiary takie, nawet nie
uśrednione, w przypadku oprawy z linijką LED, nie
odzwierciedlają rzeczywistych właściwości oprawy.
Nierównomierności bryły fotometrycznej, w ogólnym
przypadku, nie pokrywają się z kierunkami fotometrowania.
Potwierdzeniem tego jest wygląd przykładowych wyników
pomiarowych w trzech kolejnych płaszczyznach
pomiarowych C (rys. 3).
Rys. 3. Krzywe światłości w wybranych płaszczyznach C
świetlówkowej oprawy pryzmatycznej z linijką LED
Oprawa uliczna LED o mocy 40 W
a) b)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 11/2009 291
Ostatnim opisywanym przypadkiem jest oprawa uliczna,
której układ optyczny składa się z 4 identycznych modułów
świecących (fot. 6). Moduły te rozmieszczone są
symetrycznie parami, kształtując bryłę fotometryczną po
obu stronach płaszczyzny symetrii oprawy. W pojedynczym
module umieszczonych jest 10 diod LED o mocy 1 W
każda. Diody te są skupione tworząc wypadkowe źródło
światła o dużo większej powierzchni. W oprawie
zastosowano też
płaskie wybłyszczone odbłyśniki
aluminiowe o odbiciu kierunkowo-rozproszonym oraz biały
matowy fragment odbłyśnika. Zastosowane rozwiązania
konstrukcyjne, choć proste, wraz z odpowiednim doborem
kątów nachylenia powierzchni płaskich odbłyśników oraz
diod LED prowadzą do uzyskania bardzo dobrych
rezultatów. Oprawa bardzo dobrze realizuje skomplikowane
wymagania oprawy ulicznej (rys. 4), a jej parametry są
powtarzalne. Zmierzone w płaszczyznach C0 i C180 krzywe
światłości oprawy niewiele różnią się między sobą i to
pomimo, że są kształtowane głównie przez inne moduły
świecące.
Fot. 6. Widok modułu oświetleniowego oprawy ulicznej
Rys. 4. Zmierzone krzywe światłości oprawy ulicznej
W trakcie wykonywania pomiarów bryły fotometrycznej
oprawy ulicznej zauważono spadek strumienia świetlnego,
który związany był z nagrzewaniem się diod LED i całej
oprawy. Zmianę względnej światłości osiowej I
0r
, mierzonej
co 0,5 minuty od włączenia zasilania, przedstawiono na
rysunku 5. Zmierzona charakterystyka składa się z dwóch
różnych części. W ciągu pierwszej 0,5 minuty światłość
gwałtownie spada aż o 6%, a następnie wykładniczo o
następne 9% do 85% wartości początkowej. Stan
równowagi osiągany jest dopiero po ok. 90 minutach, przy
czym przez ostatnie 45 minut następuje spadek wartości już
tylko o 1%. Pierwsza część charakterystyki związana jest z
ustalaniem się temperatury złącza diod LED zanim zaczną
odprowadzać ciepło do obudowy oprawy, która jest
radiatorem. Następna część charakterystyki związana jest z
nagrzewaniem się całej oprawy, co wpływa również na
wzrost temperatury diod LED i dalszy spadek ich strumienia
świetlnego.
Rys. 5. Spadek względnej światłości osiowej oprawy ulicznej
W trakcie pomiarów spadku strumienia świetlnego
zauważono również zmianę barwy światła oprawy z żółtej
na bardziej zieloną. Potwierdziły to wyniki pomiarów
kolorymetrycznych (tabela 1). Problem zmiany barwy
światła diod LED o świetle białym jest szeroko opisywany
[2]. W rozpatrywanym przypadku zmiana barwy wynika z
nierównomiernego nagrzewania się diod o barwie zielonej i
czerwonej, których wypadkowa barwa powinna być żółta tak
jak w typowej oprawie ulicznej. Ponieważ w module LED
diody czerwone umieszczone są pomiędzy diodami
zielonymi (fot. 6) mają gorsze warunki odprowadzania
ciepła. W wyniku tego w czasie nagrzewania się diody
barwy czerwonej w większym stopniu tracą strumień
świetlny, a barwa wypadkowa oprawy przesuwa się w
kierunku zielonym.
Tabela 1. Wyniki pomiarów kolorymetrycznych oprawy ulicznej
Czas od włączenia oprawy
Współrzędne trójchromatyczne
x y
3’’ 0,4000
0,4999
30’’ 0,3910
0,5050
1’ 0,3892
0,5060
5’ 0,3850
0,5087
15’ 0,3790
0,5125
30’ 0,3790
0,5125
60’ 0,3790
0,5125
Wnioski
Na rynku dominują obecnie proste oprawy z diodami
LED, których niedokładności wykonania znacząco wpływają
na zmienność ich bryły fotometrycznej. Niedopuszczalne
jest też zastępowanie w świetlówkowych oprawach
pryzmatycznych świetlówek diodami LED w formie linijki. Na
przykładzie oprawy ulicznej o mocy 40 W pokazano, że
umiejętnie zaprojektowany układ optyczny z diodami LED,
nawet prosty, może zrealizować skomplikowane zadanie
oświetleniowe. W tym przypadku zaobserwowano jednak
15% spadek strumienia świetlnego i zmianę barwy światła,
związane z nagrzewaniem się oprawy.
Podziękowania: Źródło finansowania – praca statutowa S/WE/2/08.
LITERATURA
[1] P a d d o c k A . N . : LEDs light the way to homes and
businesses, Photonics-Spectra, 43(1): 63-4, Jan. (2009)
[2] H o e l e n C . ; v a n d e r B u r g t P . ; J u n g w i r t h P . ;
K e u p e r M . ; M a n K . ; M u t t e r C . ; t e r W e e m e J . W . :
Color-consistent LED modules for general lighting , Proc. SPIE,
7231: 72310A (12 pp.), (2009)
Autor: dr inż. Krzysztof Zaremba, Politechnika Białostocka, Wydział
Elektryczny, Katedra Promieniowania Optycznego, ul. Wiejska 45D,
15-351 Białystok, e-mail: zaremba@pb.edu.pl