Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Пятница, 2 декабря
 
 


Это интересно!

Новости

Минпромторг выделил 7,5 млрд на "черные ящики" для автомобилей


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

 

5 ноября

Оценка экономического эффекта применения вторичной оптики

В статье рассматриваются технико-экономические аспекты применения вторичных оптических систем для светодиодов. Предложена методика оценки экономического эффекта применения вторичной оптики.



В

светотехнике линзовые оптические коллимирующие системы начали широко применяться относительно недавно. Конечно, использование линз в проекционной технике известно давно, но стоимость их производства из кварцевого стекла достаточно высока, т.к. используемые технологии связаны с высокоточной механической обработкой и применением дорогостоящих шлиф-порошков и полиритов из редкоземельных элементов. Поэтому развитие линзовых светотехнических систем тесно связано именно с развитием технологий производства на основе оптических органических материалов. Появление мощных светодиодов также значительно стимулировало эту отрасль. Несколько десятков производителей постоянно развивают свою номенклатуру, и сейчас на рынке представлены самые различные оптические системы, обеспечивающие разнообразные кривые силы света (КСС).
Очевидно, что оптическая система наравне со световой отдачей способна значительно влиять на энергоэффективность того или иного решения. Но, к сожалению, основной проблемой для российского разработчика становится вопрос первичных затрат клиента. Применение дополнительных элементов в изделии, увеличивающих его стоимость, более чем нежелательно. Поэтому для экономического обоснования применения вторичной оптической системы будет полезно знать, как связаны физические и экономические параметры этого компонента. Это, в свою очередь, позволит сделать выбор в пользу оптимального решения для той или иной задачи.

 

Методика технической оценки

Размер полезного пятна рассеяния для широкого угла первичной оптики светодиода фактически ограничивается диаметром, внутри которого на заданной поверхности сохраняется требуемая освещённость. Всё остальное излучение тратится либо на рассеянный свет, либо на так называемый избыточный свет. Таким образом, в некоторых приложениях интереснее отталкиваться именно от этого «полезного» диаметра, оставляя на долю избыточного света как можно меньше излучения. Для света же рассеянного иногда полезно пользоваться самим помещением: диффузным отражением от стен, пола и прочих поверхностей. Такой «полезный» диаметр опытный инженер вполне сможет получить, исходя из данных, приведённых производителем светодиода. Далее следует определить полный угол половинной яркости для этого диаметра, конечно, исходя из расстояния от источника света до освещаемой поверхности. Получив представление об этом угле, нетрудно подобрать вторичную оптику, но при этом следует учитывать, что сила света по краям пятна рассеяния будет убывать согласно некоторой кривой добротности. Т.к. добротность вторичной оптики с узким углом пространственного распределения силы света выше, чем у оптики с широким углом, то разумно выбрать угол несколько более широкий, чем угол, соответствующий «полезному» диаметру. Так можно подобрать практическую замену пятну рассеяния светодиода без оптики или оптимизировать выбор вторичной оптики, увеличив при этом энергоэффективность всей системы. Однако оценить это более точно можно только через сравнение освещённостей двух вариантов решения задачи.
Известно, что освещённость — это световой поток, распространяемый на определённой площади. Удобно получать её через силу света, т.к. именно этот параметр напрямую зависит от телесного угла, внутри которого распространяется поток фотонов. Очевидно, что существует такой телесный угол, разница которого с первичным углом излучения источника удваивала бы освещённость, т.е. угол, при котором освещённость была бы равна удвоению количества светодиодов, не вооружённых вторичной оптикой. Из курса физики известно, что сила света равна потоку излучения, распространяемому в некотором телесном угле:

Для простоты понимания распишем преобразования величины полного угла половинной яркости в величину телесного угла:

или

,

где θ — полный угол половинной яркости, обычно указывается производителем в техническом описании на продукцию. Т.к. при фиксированном потоке излучения изменить силу света можно только изменив угол распространения излучения, то для решения нашей задачи необходимо понимать, на сколько градусов нужно уменьшить полный угол половинной яркости, чтобы, например, вдвое и более раз уменьшить телесный угол, сформированный первичной оптикой светодиода. Произведя несложное преобразование, получим:

или

,

где N — степень уменьшения телесного угла пространственного распределения силы света. Несложно определить, что для светодиода с первичным полным углом половинной яркости 120° уменьшение телесного угла вдвое выльется в уменьшение полного угла приблизительно на 38°. Т.е. использование в этой системе линз или рефлекторов с углом пространственного распределения силы света 82° даст тот же эффект, что и удвоение количества светодиодов.
Однако следует учесть, что оптика обладает потерями, характеризуемыми величиной оптической эффективности, поэтому формула силы света для линзовых систем будет иметь следующий вид:

.

Величина оптической эффективности, как правило, указывается производителем оптики в техническом описании на продукцию. Вооружившись этим методом, можно оценивать не только применение вторичной оптики в пересчёте на количество невооружённых оптикой светодиодов, но и применение различных по своим характеристикам оптических систем относительно друг друга. Теперь, когда физика этого анализа описана, приступим к анализу экономическому.

 

Методика технико-экономи­ческой оценки

Итак, вполне очевидно, что для экономического анализа самыми важными параметрами выступают количество компонентов и стоимость их монтажа. Из этого следует несложный расчёт:

,

где N — количество источников света в изделии. Для системы, в которой вторичная оптика не используется, параметр Соптики будет, соответственно, равен нулю. Тогда логично предположить, что экономический эффект достигается в случае, когда стоимость изделия, оснащённого вторичной оптикой, становится ниже стоимости изделия, в котором оптика не используется. Это происходит в некоторой точке, которую можно условно обозначить как точку целесообразности применения компонента, в данном случае вторичной оптики.
Проанализировав сумму стоимостей, можно прийти к выводу, что в большинстве случаев только одна переменная в ней будет решающей — это стоимость самой вторичной оптики. Все прочие переменные будут иметь фиксированное значение для каждого конкретного случая. Тогда не трудно предположить, что именно эта переменная будет определять некоторый угол половинной яркости, которому соответствует точка целесообразности применения оптики. Данные, приведённые в таблице 1, рассчитаны для некоторых значений стоимости вторичных оптических систем.

 

Таблица 1. Коэффициенты целесообразности для некоторых ценовых категорий оптики

Стоимость вторичной оптики у.е.

0,5

1

1,5

2

Коэффициент целесообразности

0,9

0,75

0,6

0,35

 

Разумеется, что рассчитывать этот коэффициент было бы правильным в каждом конкретном случае, но на практике вполне достаточно и оценочных значений.
Теперь, когда нам известны коэффициенты целесообразности (условно назовём их так), самое время оценить их физический смысл. По сути, этот параметр показывает, на сколько должно сократиться количество светодиодов при применении вторичной оптики, чтобы обеспечить экономический эффект. Выше мы уже установили связь между количеством светодиодов и изменением телесного угла, внутри которого распространяется поток излучения. Введя в эту формулу значение коэффициента целесообразности, мы получим некоторый телесный угол, внутри которого будет располагаться зона экономической эффективности решения:

или

.

Этот метод полезно применять для оценки эффективности оптики со сверхширокими углами пространственного распределения силы света или для выбора наиболее выгодного решения из двух сравнительно близких по значению такого угла оптических систем. Метод актуален при расчёте технико-экономического обоснования систем общего внутреннего освещения, акцентного освещения и различных специальных приложений.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Антон Булдыгин, инженер «Светотроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 
 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2016 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты