plik

Andrzej PAWLAK

, Krzysztof ZAREMBA

Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy (1), Politechnika Białostocka, Katedra Promieniowania Optycznego (2)

Wyniki pomiarów parametrów świetlnych modelu oprawy

z diodami świecącymi (LED) dużej mocy

Streszczenie.

W niniejszym referacie zaprezentowano sposób w jaki wykonano model oprawy oświetlenia ogólnego z diodami święcącymi dużej

mocy oraz przedstawiono wyniki pomiarów parametrów świetlnych tego modelu wraz z ich analizą.

Abstract

. The following document presents the construction process for the model of a general-purpose lighting luminaire with high power light

emitting diodes, followed by the measurement results for the lighting parameters of the said model along with their analysis. (The measurement
results for the lighting parameters of the model of a luminaire with high power light emitting diodes (LED)

Słowa kluczowe: dioda świecąca (LED) dużej mocy, oprawa oświetleniowa, krzywa światłości, temperatura barwowa.
Keywords: high power light emitting diode, luminaire, luminous intensity distribution, colour temperature.

Wstęp
Diody

świecące (LED) dużej mocy są źródłami światła o

kosinusowym rozsyle strumienia świetlnego. W przypadku
ich bezpośredniego zastosowania w oprawach oświetlenia
ogólnego otrzymuje się bryłę  światłości nieodpowiednią do
równomiernego oświetlenia powierzchni roboczej oraz zbyt
dużą luminancję oprawy przy dużych kątach ochrony. W
skonstruowanym modelu oprawy zastosowano specjalnie
zaprojektowane odbłyśniki o małej wysokości [1].
Osiągnięto dzięki temu ograniczony rozsył strumienia
świetlnego oraz odpowiednią krzywą  światłości i to przy
bardzo dużej sprawności - wynoszącej 92%.

Budowa modelu oprawy z diodami świecącymi dużej
mocy

Do realizacji modelu oprawy wybrano układ, w którym

znajdować się będzie 30 diod LED typu LUXEON III Star
LXHL-LW3C o barwie białej oraz 6 diod typu LUXEON III
Star LXHL-LD3C o barwie czerwonej, produkcji firmy
LUMILEDS. Ważnym parametrem, który należy uwzględnić
na etapie projektowania temperatury całego układu oraz
analizy wyników pomiarowych, jest opór termiczny diod
pomiędzy złączem i obudową. Wynosi on 17°C/W dla diody
LXHL-LW3C [2]. Oznacza to, że temperatura złącza diody
nie będzie mniejsza niż 66°C powyżej temperatury
otoczenia przy zasilaniu prądem o natężeniu 1

Temperatura złącza, zgodnie z wymaganiami producenta
nie może przekroczyć 135°C co oznacza, że przy
zakładanej maksymalnej temperaturze otoczenia wy-
noszącej 24°C, konieczne jest zastosowanie radiatora o
oporze termicznym nie większym niż: 11,5°C/W = (135°C -
66°C - 24°C)/3,9 W.
Jedną z trudności w projektowaniu i wykonywaniu
modelu oprawy jest narzucony przez producenta zakaz
montowania kilku diod świecących na jednym radiatorze.
Producent uzasadnia go w sposób lakoniczny w swoich
materiałach - względami elektrycznymi. W związku z tym
uniemożliwia to wykorzystanie radiatora jako elementu
konstrukcyjnego oprawy. Z tego względu radiatory
poszczególnych diod zostały najpierw - szeregowo po 6 szt.
- zamontowane na elemencie izolacyjnym z poliwęglanu, a
następnie te elementy zostały wzmocnione belkami
aluminiowymi o przekroju 10×10 mm. Widok modelu
oprawy bez zamontowanych odbłyśników przedstawiono na
fotografii 1.

Wybór technologii wykonania modelu oprawy, a przede

wszystkim odbłyśników, musiał uwzględnić konieczność
osiągnięcia odpowiedniej jakości przy jednoczesnym nie
przekroczeniu budżetu przewidzianego na to zadanie. Z
tego powodu wybrano technologię stosowaną w produkcji

małoseryjnej, wykonując 36 modułów odbłyśnikowych z
laminatu szklano-epoksydowego.

Fot. 1. Widok świecącej oprawy bez zamontowanych odbłyśników

Najważniejszym elementem formy do pokrywania
laminatem był rdzeń o profilu obliczonego odbłyśnika, który
wykonano na tokarce numerycznej w oparciu o dane 71
punktów obliczonych z krokiem co 0,5°. Następnie
powierzchnię odbłyśnika pokrywano próżniowo warstwą
aluminium. Proces ten prowadził również do pokrycia
zewnętrznej powierzchni modułu. Widok zmontowanego
modelu oprawy z diodami świecącymi dużej mocy
przedstawiono na fotografii 2.

Fot. 2. Widok świecącej oprawy z zamontowanymi odbłyśnikami

Zasilanie modelu oprawy
Zgodnie z wymaganiami producenta, diody świecące
dużej mocy muszą być zasilane tylko przy użyciu zasilaczy
prądowych. Dostępne na rynku zasilacze prądowe

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007

charakteryzują się maksymalnym napięciem wyjściowym
wynoszącym 24÷25

V. Takie też parametry posiada

zasilacz firmy Philips, typ: Xitanium™ 80W/3.15-24V/3 150
mA [3], który został wybrany do zasilania budowanego
modelu oprawy. Jest on przeznaczony do zasilania 5, 10,
15, 20 lub 25 diod Luxeon™ o mocy 3 W. Oznacza to, że
powinien zasilać pięć gałęzi równoległych, w których
znajduje taka sama liczba diod (maksymalnie do 5 szt.).
Ograniczenie liczby diod do 5 w gałęzi wynika
prawdopodobnie, z dążenia producenta do zapewnienia
działania układu nawet w najbardziej niekorzystnym
przypadku, tzn. zastosowania diod świecących o
maksymalnym dopuszczalnym napięciu pracy wynoszącym
katalogowo 4,47 V. W przypadku typowych diod o napięciu
pracy nie przekraczającym 3,9 V możliwe jest oczywiście
połączenie 6 diod. Producent tego zasilacza prądowego
przewiduje dwie możliwości podłączania diod do układu
(rys. 1).

Rys. 1. Schematy układów połączeń diod świecących:
a) bez połączeń wyrównawczych; b) z połączeniami
wyrównawczymi

Początkowo do zasilania modelu oprawy planowano
zastosować dwa zasilacze Philips Xitanium™ 80 W/3.15-
24 V/3 150 mA, z których każdy miał zasilać 3 gałęzie
równoległe z 6 diodami (5 białych + 1 czerwona) w każdej.
Zakładano przy tym, że diody białe będą nieznacznie
przeciążone, gdyż dopuszczalny prąd pracy wynosi
1 000 mA, a zasilacz powinien zapewnić prąd 3 150 mA, co
przy równomiernym rozłożeniu na trzy gałęzie równoległe
dawałoby wartość 1 050 mA. Zakładano, że prąd o wartości
1 050 mA nie przyczyni się do zmniejszenia trwałości diod,
szczególnie gdy zastosowano radiatory o dużo mniejszym
niż dopuszczalny oporze cieplnym.
Przed

podłączeniem układu zasilającego postanowiono

jednak zmierzyć parametry: zarówno samego układu jak i
połączonych zgodnie z rysunkiem 1 a diod świecących.
Proponowane przez producenta sposoby podłączenia diod
nie zabezpieczały ich bowiem przed zniszczeniem w
stanach awaryjnych, szczególnie gdy przyjęty wstępnie
sposób podłączenia diod zakładał już i tak pracę diod na
dopuszczalnej przez producenta granicy wartości prądu.
Postanowiono zatem zbadać, czy układ posiada
zabezpieczenia przed nierównomiernym rozpływem prądów
w gałęziach. Użyto do tego oporników 2 Ω/5W, które
łączono w różnych kombinacjach. Badania te potwierdziły
niebezpieczeństwo występowania nierównomiernego Roz-
pływu prądów w gałęziach równoległych, w przypadku
występowania różnic ich parametrów elektrycznych. Jedy-
nym ograniczeniem prądu danej gałęzi było wystąpienie na
jej zaciskach napięcia 24,4 V.

Na podstawie pomiarów stwierdzono również, że prąd w

obwodzie wyraźnie pulsuje (z częstotliwością mniejszą niż
1 Hz) i zmienia się w zakresie od 3 150÷3 330 mA. Badania
potwierdziły natomiast, że układ posiada zabezpieczenie
przeciw zwarciowe.

Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych połączo-

nych w modelu oprawy sześciu gałęzi równoległych z

we napięcia na poszczególnych gałęziach

odami świecącymi przy różnym prądzie zasilania

s ścioma diodami świecącymi (5 diod typu LXHL-LW3C o
barwie białej oraz 1 dioda typu LXHL-LD3C o barwie
czerwonej) wykazały występowanie różnic między nimi
(tabela 1).

Tabela 1. Wyniki pomiaro

wnoległych z di

ró

Napięcie [V] na gałęzi równoległej numer:

Prąd

[A]

1 2 3 4 5 6

0,5  19,19 18,82 19,00 18,95 18,95  19,10
0,6  19,56 19,18 19,38 19,33 19,32  19,47
0,7  19,92 19,50 19,72 19,67 19,66  19,81
0,8  20,3 19,83 20,1 19,98 19,97  20,2
0,9 20,6 20,2 20,4 20,3 20,3  20,5
1,0 20,9 20,5 20,7 20,6 20,6  20,8

izy

ów

ależy zaznaczyć, że wszystkie użyte diody świecące

wy za pomocą dwóch

ześcioma diodami

gólnych gałęziach

m prądzie zasilania

Prz

roz częcie anal

otrz

anyc

wynik

n
pochodziły z jednej serii produkcyjnej (były jeszcze
połączone technologicznie na jednej bazie aluminiowej).
Wszystkie charakterystyki są praktycznie równoległe co
oznacza,  że posiadają identyczny opór dynamiczny, tzn.
jednakowym przyrostom napięcia odpowiadać  będą
identyczne przyrosty prądów. Bezwzględne różnice
napięcia pomiędzy gałęziami wydają się niewielkie, jednak
należy pamiętać,  że przy rezystancji dynamicznej gałęzi
wynoszącej ok. 3,6 Ω różnice napięcia rzędu 0,4 V będą
powodowały różnice prądu, rzędu 0,1 A! W obwodzie
elektrycznym zasilacza na wszystkich gałęziach będzie
występowało to samo napięcie, co tym bardziej będzie
powodowało występowanie różnic prądów. Przykładowo,
przy napięciu 20

V, gdy w gałęzi G1 będzie płynął

najmniejszy prąd o natężeniu 720 mA to w gałęzi G2 będzie
płynął największy prąd o natężeniu 840 mA. Względne
różnice prądów sięgają więc 20%.
W wyniku opisanych badań zmieniono założenia
dotyczące zasilania modelu opra

a) b)

zasilaczy Philips Xitanium™

80W/3.15-24V/3150mA na

zasilanie za pomocą jednego. Badania układu zasilającego
pokazały, że w stanach awaryjnych (np. rozłączenie jednej
gałęzi równoległej) cały prąd zasilacza rozpłynie się w
pozostałych gałęziach, co przy 3 gałęziach równoległych
spowoduje zniszczenie większości diod.
Tak

więc w budowanym modelu, do jednego układu

podłączono sześć gałęzi równoległych z s
świecącymi w każdej. Zmierzone wartości prądów płynące
w tych gałęziach (tabela 2), dokładnie odzwierciedlają
różnice w parametrach elektrycznych poszczególnych
gałęzi (tabela 1). Tak jak stwierdzono w przypadku
pomiarów w układzie z opornikami, również po
zamontowaniu diod świecących - prąd w obwodzie tętni.
Ponadto należy zauważyć, że przy średnim prądzie
(wyznaczonym z wartości maksymalnych w
poszczególnych gałęziach) wynoszącym 537 mA różnica
pomiędzy gałęzią o największym i najmniejszym prądzie
wynosi aż 90 mA, czyli względnie ok. 20%, tak jak to
wynikało z wcześniejszej analizy. Skonstruowany model
oprawy pobiera z sieci o napięciu 230 V prąd o wartości
326 mA i moc czynną o wartości 70 W.

Tabela 2. Wyniki pomiarowe prądu w poszcze

wnoległych z diodami świecącymi przy różny

ró

Prąd [mA] w gałęzi równoległej numer:

Wartość

prądu

1 2 3 4 5 6

W
mi

artości

nimalne

50 480 480 470 510 430

Wartości
maksymalne

520 550 550 530 580 490

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007

Wyniki pomiarów modelu oprawy

W celu praktycznej weryfikacji opracowanej metody

tycznych przeznaczo-

widmowego natężenia napromienienia

romieniowania widzialnego

(VIS) emitowanego przez

owania

Na podstawie wyników pomiarowych bryły

dbłyśników

ontowanymi odbłyśnikami)

ED stwierdzono, że obliczone teoretycznie i

e oprawa zapewnia

wy z diodami świecącymi dużej

projektowania układów świetlno-op
ny h do diod świecących dużej mocy wykonano pomiary
podstawowych parametrów świetlnych wykonanego modelu
oprawy. W pierwszej kolejności wykonano pomiary modelu
oprawy bez zamocowanych odbłyśników (fot. 1).
Pomiary wykonywano w płaszczyznach C0 - C90 i
C180 - C270 co 15°, a kąt

zmieniano co 5°. Wyniki t

po łużyły do wyliczenia strumienia świetlnego diod oraz
sprawdzenia, czy krzywe światłości diod są w poszcze-
gólnych płaszczyznach C takie same i zgodne, z założoną
krzywą kosinusową. Na tej podstawie stwierdzono, że w
obu obszarach pomiarowych występuje symetria (uzyskano
krzywą obrotowo-symetryczną), w związku z czym pomiary
gotowego modelu oprawy (fot. 2), wykonano w tych samych
płaszczyznach.

Pomiar rozkładu
p
Pomiar

rozkładu widmowego natężenia napromienienia

promieniowania widzialnego
model oprawy z diodami świecącymi dużej mocy wykonano
z wykorzystaniem systemu spektroradiometrycznego typu
OL750 (Optronic Laboratories). Pomiar rozkładu
widmowego natężenia napromienienia dla promieniowania
widzialnego wykonano w zakresie fal o długości
380

÷780 nm przy odległości pomiarowej 4,80 m.

Na podstawie otrzymanych trzech rozkładów
widmowych, z wykorzystaniem oprogram
wspomagającego ww. systemem, wyznaczono średnie
wartości temperatury barwowej najbliższej, która wynosi
T

= 3 556 K oraz wskaźnika oddawania barw R

= 81.

Analiza otrzymanych wyników pomiarowych

fotometrycznej diod świecących bez o
wyznaczono ich strumień  świetlny, który wynosi 1 954 lm.
Oprawa pobiera z sieci moc czynną 70 W, a zatem
skuteczność  świetlna systemu wynosi 27,9 lm/W. Wartość
ta jest nieznacznie większa od dobrej jakości  żarówek
halogenowych. Wyraźnie wskazuje to, że pod względem
energooszczędności, jak na razie, diody świecące dużej
mocy nie są konkurencyjne w porównaniu z wyładowczymi
źródłami  światła, np. świetlówkami, czy wysokoprężnymi
lampami metalohalogenkowymi.

Obliczony na podstawie zmierzonej bryły fotometrycznej

strumień świetlny oprawy (z zam
w osi 1 799 lm. Wynika z tego, że sprawność wykonanej
oprawy wynosi 92,1%. Sprawność ta jest niewiele mniejsza
niż wyliczona teoretycznie (94%). Sprawność taka, w
przypadku opraw o podobnej krzywej światłości, jest
praktycznie nieosiągalna zarówno w przypadku
fluorescencyjnych jak i wyładowczych  źródeł  światła. Tak
wysoka sprawność wynika z faktu, że diody świecące jako
powierzchniowe  źródła  światła  świecące w jedną
półprzestrzeń (rozsył kosinusowy) mają wstępnie mocno
ukierunkowany strumień ś ietlny (w ym przypadku w dolną
półprzestrzeń).
  Na podstawie porównania przebiegu krzywych
światłości diod L
uzyskane z pomiarów są bardzo zbliżone. Największe
różnice występują w kierunkach bliskich osiowym i 90°, lecz
ich względna wartość nie przekracza 5% wartości światłości
maksymalnej. W przypadku krzywych światłości oprawy
różnice w kierunkach, w których bryła fotometryczna
formowana jest również przez odbłyśnik są znacznie
większe. Wartości osiągnięte w modelu oprawy są mniejsze
niż założone teoretycznie. Spowodowane jest to

rozpraszającym charakterem odbicia strumienia świetlnego
padającego na niektóre odbłyśniki.
Charakter zmian krzywej światłości jest zgodny z
założonym, z czego wynika, ż
równomierne oświetlenie powierzchni roboczej o średniej
wartości

δ = 0,74 w kole o średnicy ok. 2 m (przy odległości

oprawa - płaszczyzna robocza wynoszącej 2 m). Średnie
natężenie oświetlenia w tym obszarze wynosi E = 147 lx,
przy czym należy pamiętać, że diody świecą na poziomie
60% mocy znamionowej (przy prądzie 0,55 A). Zasilanie
tych diod prądem o wartości znamionowej wynoszącej 1 A
zapewniłoby na ww. obszarze średnią wartość natężenia
oświetlenia rzędu 250 lx.
Na rysunku 2 przedstawiono krzywą światłości
wykonanego modelu opra
mocy w układzie biegunowym.

Rys. 2. Krzywa światłości wykonanego modelu oprawy z diodam

wiecącymi dużej mocy w zakresie półprzestrzeni dolnej

kierunku

60° (wyznaczonym od pionu) posiada średnią

ot. 3. Model oprawy widoczny pod kątem około 65°

anej oprawy

st mniejszy niż obliczony teoretycznie. Diody świecące o

Wykonany model oprawy oświetleniowej w
γ
luminancję wynoszącą 747 cd/m

, w kierunku 65° -

308 cd/m

, a w kierunku 70° - 167 cd/m

. Zatem oprawa ta,

zgodnie z normą PN-EN 12464-1:2004 [4], może być
używana w pomieszczeniach, w których znajdują się
monitory z ekranami o dobrej i średniej jakości. Luminancja
oprawy w kierunku 65° jest niewiele większa niż 200 cd/m

co oznacza, że w przypadku wykonania odbłyśników o
powierzchni w większym stopniu zwierciadlanej,
zaprojektowana oprawa może być stosowana nawet w
pomieszczeniach z monitorami o słabej jakości.

Na fotografii 3 przedstawiono widok świecącego modelu

oprawy wykonany pod kątem około 65°.

Zakres zmian temperatury barwowej wykon

je
b wie białej charakteryzują się temperaturą barwową
wynoszącą T

= 5 528 K, czyli zbliżoną do wartości

katalogowej (5

500

K), a nie obliczonej teoretycznie

(6 177 K). Oznacza to, że katalogowy rozkład widmowy
diod świecących o barwie białej nie odzwierciedla
rzeczywistego ich rozkładu. Oprawa modelowa
charakteryzuje się też wyższą temperaturą barwową, która

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007

wynosi T

= 3 702 K, niż wyliczona teoretycznie (2 709 K).

Wynika to najprawdopodobniej z mniejszego strumienia
świetlnego diod o barwie czerwonej, lub też przesunięcia
charakterystyki widmowej diod o barwie czerwonej w
kierunku fal krótszych. Charakterystyka regulacyjna barwy
jest praktycznie liniowa, a wyłączanie kolejnych diod
czerwonych zwiększało temperaturę barwową światła
oprawy od 250 K do 350 K.

Podsumowanie
Skonstruowaną oprawę, która posiada ograniczony

świetlnego, można zaliczyć, na podstawie

realizowane w ramach

Programu Wielolet

pn. „Dostosowywanie

e źródłami nowej

zy, Warszawa, 2006

rozsył strumienia
wykonanych pomiarów, do opraw niskoluminancyjnych.
Uzyskana krzywa światłości oprawy charakteryzuje się
znacznie mniejszą światłością maksymalną niż założona.
Spowodowane to jest technologią wykonania modelowych
odbłyśników, których powierzchnia posiada lekkie
właściwości rozpraszające. Pomimo to oprawa modelowa
zapewnia osiągnięcie dużo większej równomierności
oświetlenia niż same diody. Modelowa oprawa posiada
bardzo dużą sprawność wynoszącą 92%. Oprawa
charakteryzuje się małą wysokością, co jest dążeniem wielu
konstruktorów. Wysokość tę można jeszcze zmniejszyć
stosując radiatory o mniejszej wysokości. Zmierzone
wartości temperatury barwowej oraz wskaźnika oddawania
barw wskazują, że skonstruowany model oprawy z diodami
świecącymi (LED) dużej mocy może być z powodzeniem
stosowany w oświetleniu ogólnym.

LITERATURA

[1] Zadanie badawcze nr 1.A.08

niego (II etap)

warunków pracy w Polsce do standardów Unii
Europejskiej” Część A: Program realizacji badań
naukowych i prac rozwojowych.
Tytuł zadania: Badanie wpływu parametrów świetlnych i
użytkowych opraw oświetleniowych z
generacji (diodami elektroluminescencyjnymi - LED) na
warunki pracy wzrokowej.
Realizator: Centralny Instytut Ochrony Pracy -
Państwowy Instytut Badawc

[2] Katalogi oraz dane techniczne diod firmy LUMILEDS

(

www.lumileds.com

)

[3] Karta katalogowa firmy Philips „Optymalne parametry

dla diod LuxeonTM. Zasilacze XitaniumTM dla diod

[4]

we wnętrzach

utorzy

: mgr inż. Andrzej Pawlak, Centralny Instytut Ochrony

racy - Państwowy Instytut Badawczy, ul. Czerniakowska 16, 00-

świecących”. Wydanie: marzec 2005

PN-EN 12464:2004-1: Światło i oświetlenie. Oświetlenie

miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracy

A
P
70 Warszawa, e-mail: anpaw@ciop.pl;
dr. inż. Krzysztof Zaremba, Politechnika Białostocka, Wydział
Elektryczny, Katedra Promieniowania Optycznego, ul.

Wiejska

45 D, 15-351 Białystok, e-mail: zaremba@pb.edu.pl

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007