6-дюймовый встраиваемый потолочный светильник

1. Общий обзор

Компания Future Lighting Solutions разработала встраиваемую потолочную систему освещения на базе светодиодов LUXEON® Rebel, которая представляет собой законченное решение для общего внутреннего освещения.
Конструкция 6-дюймового потолочного светильника состоит из арматуры, которая содержит встроенную оптику, систему отвода тепла, систему питания, а также световой подсистемы, которая может быть соединена с различными драйверами, что обеспечивает возможность выбора оптимального варианта реализации  питания.
Все решения, описанные в данном указании по применению, доступны в компании Future Lighting Solutions, благодаря чему клиенты имеют возможность изготовить опытные образцы или наладить серийное производство систем освещения.
Для проверки функциональных возможностей устройства и подтверждения его конкурентоспособности на рынке подготовлены демонстрационные наборы. Эти наборы наглядно демонстрируют особенности конструкции светильников. На рисунке 1 представлен набор, включающий арматуру, световую подсистему и систему питания.

Рис. 1. Демонстрационный набор для 6-дюймового потолочного светильника

 В таблице 1 приведены требования стандарта ENERGY STAR для твердотельных систем освещения, которым должны отвечать характеристики потолочных светильников.

2. Анализ системы освещения с помощью программного инструмента SSL Designer

Программный инструмент SSL Designer (www.futurelightingsolutions.com/ssldesigner) использует в качестве входных параметров следующие характеристики: эффективность, освещенность, срок службы системы, а также максимальный ток светодиода. Затем он определяет требуемое минимальное количество светодиодов, необходимое для получения заданных световых характеристик. Кроме того, инструмент SSL Designer (среди других выходных параметров) рассчитывает приемлемое значение светового потока (Лм) и световой отдачи (Лм/Вт), а также общую мощность, потребляемую светодиодной системой (Вт).
Чтобы система отвечала требованиям спецификации для 6-дюймового потолочного светильника, программный инструмент SSL Designer предлагает следующие виды анализа характеристик системы:
 

Исходные параметры:

После выбора назначения и типа приложения устанавливается световой выход, равный 625 Лм. Кроме того, на основе требований таблицы 1, устанавливается 75%-й световой поток в зоне освещения 0…60°. Высота монтажа арматуры со светильником принимается равной 2,5 м. Секция ввода данных с установленными параметрами показана на рисунке 2.

Рис. 2. Секция ввода данных в SSL Designer

Сравнительный анализ характеристик светодиодной и обычной ламповой систем освещения:

После ввода исходных параметров приложения и базовой информации об источнике света программный инструмент SSL Designer рассчитывает характеристики системы, включая количество светодиодов и управляющий ток светодиодов. Кроме того, производится расчет характеристик обычной ламповой системы, которая должна отвечать тем же требованиям. Рисунки 3 и 4 демонстрируют результаты расчета параметров двух вариантов систем. Полученные данные показывают: чтобы отвечать требованиям спецификации по таким параметрам, как световой выход, эффективность и срок службы и в то же время обеспечить приемлемую температуру перехода светодиода, требуется 9 светодиодов, работающих при токе 500 мА. Общая потребляемая мощность светодиодной системы составила 15,99 Вт, в то время как энергопотребление обычной ламповой системы составило 28,24 Вт. Следовательно, использование светодиодов в потолочных светильниках позволяет значительно улучшить энергоэффективность системы.

Рис. 3. Характеристики светодиодной системы

Рис. 4. Характеристики ламповой системы

Окупаемость затрат на светодиодную систему:

Еще одной возможностью программного инструмента является возможность расчета  окупаемости затрат при использовании светодиодной системы (в сравнении с ламповой). После ввода данных о затратах для обеих систем программный инструмент предоставляет информацию об окупаемости затрат на систему, имея в виду энергосбережение, экономию затрат и сроки окупаемости. Рисунок 5 показывает, что период окупаемости при использовании светодиодной системы для встраиваемых потолочных светильников составляет 3 года.
Замечание: описанный выше случай доступен в системе SSL Designer как сценарий по умолчанию и может быть загружен в программный инструмент и использован в качестве образца. Для загрузки всех параметров данного сценария в подзаголовке меню «Target Application» нужно выбрать «Recessed Downlight – 6 Inch (FLS AN022)».

Рис. 5. Окупаемость затрат на светодиодную систему

3. Светодиоды LUXEON

В 6-дюймовом потолочном светильнике использовались 9 светодиодов LUXEON Rebel белого цвета свечения из семейства Illumination Portfolio. Светодиоды имеют номинальную относительную цветовую температуру (Correlated Color Temperature – CCT) 3500 K, минимальное значение коэффициента цветопередачи (CRI) 80 и типовое значение светового потока 80 Лм (номер компонента LXM3-PW61).  Улучшение световых характеристик светодиодов семейства LUXEON Rebel Illumination Portfolio по сравнению со светодиодами общего назначения LUXEON Rebel белого цвета свечения составляет около 15%. Это объясняется более высоким отношением светового потока при температуре 100°С к световому потоку при 25°C (hot/cold factor), что позволяет увеличить световой выход светодиода при более высокой температуре перехода.
Кроме того, эти светодиоды предлагаются в бинах, которые имеют определенные значения коэффициента цветопередачи и относительной цветовой температуры (совместимой по ANSI), что обеспечивает точное соответствие заданным характеристикам и требованиям стандарта ENERGY STAR.
В таблице 2 представлены параметры светодиодов LUXEON Rebel из семейства для систем освещения Illumination Portfolio, которые могут быть использованы в 6-дюймовых потолочных светильниках.

   
  3.1. Конструкция печатной платы и соединение светодиодов

На плате из стеклотекстолита FR4 с тепловыми переходными отверстиями последовательно соединены 9 светодиодов, как показано на рисунке 6. Размеры печатной платы: 85×85 мм. Толщина стеклотекстолита FR4 равна 31 mil (около 1 мм). На плате используется удвоенная толщина слоев меди (70мкм).

Рис. 6. Печатная плата со светодиодами и оптикой

4. Решения для оптической системы

Для 6-дюймовых потолочных светильников предусмотрены два варианта оптической системы. Первое решение представляет собой 10-мм матовые линзы для светового пучка средней величины компании Carclo (P/N 10413), которые помещаются над каждым светодиодом, как показано на рисунке 7. Эти линзы обеспечивают равномерное освещение заданной поверхности и имеют угол обзора 21°.

Рис. 7. 10-мм линза компании Carclo

Второе решение – это линза на 9 светодиодов диаметром 90 мм компании Khatod (P/N  PL1172). Линза обеспечивает различные уровни фокусировки (угол светового пучка), которые регулируются в зависимости от расстояния до светодиодов. Угол половинной яркости может быть узким (10°), средним (30°) и широким (60°). На рисунке 8 изображена линза на 9 светодиодов и показаны различные уровни фокусировки света.

Рис. 8. Линза на 9 светодиодов компании Khatod и различные уровни фокусировки света

Арматура также комплектуется рассеивающей линзой, которая обеспечивает равномерный световой выход и устраняет локальные максимумы в пятне рассеяния. Готовая к работе арматура с рассеивающей линзой показана на рисунке 9. Если визуальный эффект рассеивающей линзы не нужен, то для данного приложения доступны линзы с другим углом половинной яркости, благодаря чему можно создавать желаемую диаграмму направленности светового излучения.

Рис. 9. Готовая к работе 6-дюймовая арматура

4.1. Моделирование и измерения оптических характеристик

Для определения уровней освещенности при различных углах падения света на арматуре с потолочным светильником были проведены измерения оптических характеристик системы. В таблице 3 приведены результаты измерения освещенности (с помощью фотометра Konica-Minolta CL-200), которую обеспечивал потолочный светильник с рассеивающей линзой, установленный на высоте 3 м от пола.

5. Решения для системы теплоотвода

Для установки на плату со светодиодами был использован радиатор шириной 87,63 мм из анодированного алюминия, изготовленный методом прессования, с тепловым сопротивлением 1,46 °C/Вт производства компании Aavid Thermalloy (P/N  675903B03500G). Внешний вид и размеры радиатора показаны на рисунке 10.

Рис. 10. Радиатор Aavid Thermalloy, используемый для 6-дюймового потолочного светильника

5.1. Моделирование и измерения тепловых режимов

Для проверки тепловых режимов работы арматуры со светильником было выполнено тепловое моделирование системы. Для моделирования был использован программный инструмент QLED (www.futurelightingsolutions.com/qled). Результаты моделирования показаны на рисунке 11.

Рис. 11. Моделирование тепловых режимов 6-дюймового потолочного светильника с помощью программного инструмента QLED

Моделирование с помощью инструмента QLED было проведено при прямом токе через светодиоды 350 мА и при температуре окружающей среды 20°C. В результате моделирования была получена температура перехода 71°C.
Кроме теплового моделирования для контроля тепловых режимов полностью собранного устройства были проведены измерения с помощью термопары. Термопара была помещена в точке измерения Ts (с возможностью пайки) в соответствии с руководством по тепловым измерениям светодиода LUXEON Rebel (AB33), как показано на рисунке 12.

Рис. 12. Размещение термопары в точке измерения (с возможностью пайки) светодиода LUXEON Rebel

Расчет, приведенный ниже, демонстрирует, как можно оценить температуру перехода светодиода на основе таких данных как управляющий ток, прямое напряжение светодиода и тепловое сопротивление между переходом и точкой измерения:
Ts = 53,4°C (измерено с помощью термопары).
Tj = Ts + P*Rθ(J-S)
Tj = 53,4 + (0,35*3)*16 = 70,2°C
Результаты расчета на основе измерений с помощью термопары точно соответствуют данным, полученным при моделировании с помощью программного инструмента QLED.

Тепловые характеристики арматуры были также проанализированы при различных управляющих токах с помощью программного инструмента QLED. В таблице 4 приведены результаты этого моделирования. Замечание: для данного расчета температура окружающей среды была выбрана равной 25°C.

 Полученные результаты, приведенные в таблице 4, показывают, что увеличение тока с 350 до 500 мА и 700 мА сохраняет температуру перехода на допустимом для функционирования светодиода уровне. Однако нужно учитывать и допустимые значения таких параметров как температура окружающей среды, прямое напряжение и ток, т.к. они могут влиять на характеристики и срок службы светодиода при длительной эксплуатации.

6. Решения для системы питания

Для 6-дюймового потолочного светильника могут быть использованы различные варианты системы питания.

6.1. Модульные драйверы

В корпусе 6-дюймового потолочного светильника содержится AC/DC-драйвер семейства TROPO компании ROAL (см. рис. 13), подсоединенный к схеме регулирования яркости на основе триака (тиристора)  и питающий светодиоды током 350 мА. Нижним пределом регулирования яркости является величина 10% от максимального значения светового выхода. Драйвер имеет КПД 80% и гарантию 3 года.

Рис. 13. Светодиодный драйвер TROPO компании ROAL

На рисунке 14 показана арматура светильника с драйвером, встроенным в блок регулирования яркости на основе триака.

Рис. 14. Арматура 6-дюймового светильника со встроенным драйвером и блоком регулирования яркости на основе триака

Были использованы версии драйверов на напряжение сети 120 и 230 В со следующими номерами компонентов:
• 120 В: RLDD015L-350J
• 230 В: RLDD015H-350J

6.2. Драйверы на базе микросхем

Световая подсистема может быть подсоединена к двум различным драйверам на базе микросхем, что обеспечивает возможность использования двух различных решений для системы питания. Драйверы также соединены с блоком регулирования яркости на основе триака, что позволяет изменять интенсивность света.
В первом варианте используется микросхема LM3445 компании National Semiconductor, которая представляет собой неизолированный драйвер с внешним полевым транзистором (оценочная плата показана на рисунке 15). Этот драйвер является понижающим AC/DC-преобразователем постоянного тока, способным работать совместно с блоками регулирования яркости на основе триака. Драйвер обеспечивает питание светодиодов током более 1000 мА и содержит схемы тепловой защиты и блокировки питания при пониженном напряжении.

Рис. 15. AC/DC-драйвер на базе LM3445 от National Semiconductor с блоком регулирования яркости на основе триака

Во втором варианте системы питания используется микросхема SSL2101 от NXP, которая поддерживает изолированную и неизолированную топологию (оценочная плата показана на рисунке 16). Драйвер легко объединить с существующей инфраструктурой управления светом, например, с блоками регулирования яркости на основе триака. Он содержит защиту от превышения допустимой температуры,  встроенный высоковольтный ключ питания и схему, которая обеспечивает мгновенное включение непосредственно от выпрямленного напряжения сети.

Рис. 16. AC/DC-драйвер на базе контроллера SSL2101 от NXP с блоком регулирования яркости на основе триака

7. Соединительные разъемы

Для реализации различных вариантов подключения встраиваемых потолочных светильников может быть использована система соединительных разъемов. Возможны следующие системы соединительных разъемов:

• Система сквозных обратных соединительных разъемов компании Tyco

Система сквозных обратных соединительных разъемов позволяет удобно расположить все разъемы на нижней стороне платы, как показано ни рисунке 17. Эта система исключает необходимость зачистки соединительных проводов и обеспечивает низкопрофильную конструкцию.

Номера разъемов для соединительной системы:

Рис. 17. Система сквозных обратных соединительных разъемов компании Tyco

• Система герметичных соединительных разъемов компании Tyco

Система герметичных соединительных разъемов, показанная на рисунке 18, представляет собой низкопрофильные однорядные разъемы с герметичной защитой.

Номера разъемов для этой соединительной системы:

Рис. 18. Система герметичных соединительных разъемов компании Tyco

• Система соединительных разъемов AVX 9159

Система соединительных разъемов AVX 9159, показанная на рисунке 19, обеспечивает последовательное соединение нескольких светодиодных плат.

Номера разъемов для этой соединительной системы:

Рис. 19. Система соединительных разъемов AVX 9159

8. Заключение

Испытаниями подтверждено, что 6-дюймовый встраиваемый потолочный светильник со светодиодами LUXEON® Rebel, разработанный компанией Future Lighting Solutions, отвечает требованиям по световому выходу, эффективности и сроку службы и, таким образом, позволяет реализовывать приложения в области общего освещения.
Решения для оптической системы, а также для систем теплоотвода и питания позволяют обеспечить оптимальные характеристики и долговечность светодиодной системы освещения. В данном указании по применению продемонстрирована гибкость устройства при реализации различных вариантов оптической и питающей систем.