СВЕТОТЕХНИЧЕСКИЙ БЛОК С РЕГУЛИРУЕМЫМ СВЕТОРАСПРЕДЕЛЕНИЕМ
LIGHTING UNIT WITH CONTROLLED LIGHT DISTRIBUTION

Предлагаемое изобретение относится к области светотехники и может быть использовано в производстве многоламповых осветительных приборов (ОП), например, со светодиодными источниками света. Известно, что эффективность осветительной установки определяется энергоэффективностью (световой отдачей, лм/Вт) используемого источника света, коэффициентом полезного действия (КПД) ОП, в котором установлен источник света, и светораспределением ОП. Практически все указанные параметры задаются производителем ОП. При одних и тех же показателях: световой отдачи и коэффициента полезного действия, эффективность ОП в значительной степени зависит от его светораспределения.
Для каждого освещаемого объекта, с учетом его особенностей, для обеспечения наибольшей энергоэффективности осветительной установки в целом, потребовались бы ОП с конкретным (индивидуальным) светораспределением (1), что, в условиях массового производства, практически невозможно.
Исходя из экономических соображений и практической целесообразности, было определено приемлемое светораспределение ОП для наиболее массовых случаев их применения, с учетом особенностей освещаемых объектов и условий размещения ОП: высоты подвеса над рабочей поверхностью, расстояния между осветительными приборами, равномерности распределения освещенности на освещаемой поверхности, распределения долей светового потока в нижнюю и верхнюю полусферы. Учитывая изложенное, по типу кривой силы все ОП были поделены на 7 (семь) типов и по соотношению световых потоков между полусферами - на 5 (пять) классов. Указанная классификация введена в действующие нормативно-техничкские документы (2, 3).
Нормативно закрепленная классификация ОП существенно облегчила работу проектировщиков осветительных установок при светотехническом выборе приемлемых для конкретных условий ОП.
Профессионально спроектированная осветительная установка должна быть энергоэффективной, при условии соблюдения нормативно-технических требований как по количественным показателям (например, освещенность, яркость и т.д.), так и по качественным показателям (равномерность распределения освещенности на рабочей поверхности, обобщенный показатель дискомфорта, соотношение яркостей в рабочей зоне и прилежащей к ней поверхности и т.д.) (4). Выполнить одновременно все нормативные требования, используя ОП с ограниченными по светораспределению параметрами, не всегда удается. Проектировщикам часто приходится идти на некоторый компромисс, поступаясь какими - то параметрами в части количественных, качественных или энергоэкономических показателей.
В последние годы все большее распространение получают ОП со светодиодами. Производители светодиодов анонсируют не только высокую светоотдачу светодиодных источников света, но и очень большой срок их службы - до 20-и лет. Естественно, что, в условиях непрерывной модернизации производства, в течение указанного срока может произойти техническое перевооружение освещаемого объекта с изменением технологии, состава оборудования и его размещения; при этом ранее спроектированная осветительная установка, по своему светораспределению, может не отвечать требованиям в новых условиях.
На освещаемой производственной площадке часто размещаются рабочие места с различным уровнем зрительных работ и, соответственно, с различными нормативными требованиями к их освещению. Нередки случаи, когда во всей технологической линии имеется ограниченное количество рабочих мест, требующих повышенного уровня освещенности, в то время как на большей части освещаемой зоны требуется лишь общий надзор за действующим оборудованием. Часто, в таких случаях, используется комбинированное освещение, с дооснащением рабочих мест с более высоким уровнем освещенности ОП местного освещения. Однако, такое решение требует дополнительных затрат на ОП местного освещения, прокладку дополнительных электрических сетей, часто с другим номиналом напряжения; находясь непосредственно в рабочей зоне, такие ОП могут создавать неудобства в действиях обслуживающего данное рабочее место персонала; часто требуются ОП, отвечающие специальным требованиям, например устойчивые к ударам и повышенным вибрациям оборудования, на котором они устанавливаются и т.д.
Отмеченные выше проблемы хорошо известны проектировщикам осветительных установок. Разработчиками и производителями ОП предложены конструкторские решения, которые частично позволяют решить указанные проблемы для некоторого ограниченного круга применений.
Примером частичного решения проблемы являются регулируемые экспозиционные ОП типов: Marix2 powerled - 15°, Kripton powerled - beaum 6°, Vision A+V powerled - 6°, Kim2 powerled - 6° фирмы Forsnova s.r.l. группы компаний GRUPPO-DISA NO (5), предназначенные для освещения отдельных объектов. Светильники, аналогичные по Инструкции выпускаются многими зарубежными фирмами. В качестве источника света используются светодиоды с зеркальной или преломляющей оптикой; оптическая система вместе с источником света смонтированы внутри корпуса. Весь ОП закреплен на U-образной лире или вертикальной стойке (кронштейне), при этом корпус закреплен подвижно относительно лиры или кронштейна, а последние имеют возможность поворота относительно узла крепления в вертикальной плоскости. Недостатком данной системы является то, что регулировка освещенности в пространстве осуществляется за счет полного поворота оптической части и источников света прибора вокруг вертикальной и (или) горизонтальной оси. Сила света ОП внутри светового пятна (пучка света), создаваемого прибором на освещаемой поверхности в процессе изменения положения (поворота) ОП, не меняется, изменяется лишь угловое положение светового пятна. Создание по описанной схеме многоламповых светильников для общего освещения значительных площадей, привело бы к созданию, тяжелых ОП с дорогостоящими поворотными узлами.
В связи с изложенными особенностями, ОП с рассмотренными конструктивными и светотехническими схемами, имеют ограниченные области применения, главным образом для экспозиционного, акцентирующего освещения.
Частично указанные выше недостатки устранены в конструкции светильников серии CARDAN SNS (6). Светильник представляет собой сборку из 2…4-х однотипных ОП, каждый из которых выполнен в виде несущей рамы, на которой смонтирована поворотная «карданная» система из 2-х литых алюминиевых колец, обеспечивающих поворот закрепленной на них зеркальной лампы вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Объединение в одном осветительном устройстве нескольких одиночных зеркальных ламп позволяет увеличить суммарный световой поток изделия и направлять его в разные зоны освещаемого пространства и, тем самым, расширить область применения, по сравнению с одиночными конструкциями. Однако данной конструкции также присущи недостатки. ОП не регулирует кривую силы света, карданная система лишь обеспечивает перемещение светового пятна в освещаемом пространстве со светотехническими параметрами, заданными лампой. ОП не позволяет управлять кривой силы света при «стандартном положении» (для ОП общего применения под стандартным понимается положение, при котором оптическая ось прибора направлена вертикально вниз (в направлении надира). Отклонение оптической оси зеркальной лампы от надира, в направлении «наблюдателя, может привести к недопустимой блескости в нормируемой зоне ограничения яркости, что является важным ограничителем применения ОП, построенных на данном принципе, в осветительных установках общего освещения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является решение, предложенное в (7). Автором предложена принципиальная схема конструкции ОП, в которой используется не одна, а две оптические системы с различным светораспределением. Варьируя оптическими системами с различным светораспределением, взаимно дополняя их в составе одного изделия, возможно получение ОП с заданными светотехническими параметрами.
Данному решению также присущи недостатки. Во-первых, для его реализации требуется не одна, а две оптические система с различным светораспределением, что ведет к усложнению и удорожанию изделия. Во-вторых, с точки зрения потребителя предлагаемая система является жесткой системой, набор оптических систем осуществляется производителем и не предусматривает возможность регулирования светораспределения ОП потребителем под конкретные требования.
С учетом изложенного, предлагается конструкция светотехнического блока с регулируемым светораспределением (СБсРС), исключающая отмеченные выше недостатки. СБсРС состоит из индивидуальных светотехнических модулей 1 фиг.1, каждый из которых включает мощный светодиод 2, снабженный вторичной оптикой 3 и теплоотводящим радиатором 4; блока питания 5 фиг.2, установленного в изолированном от светодиодных модулей корпусе 6 фиг.1, несущей рамы 7 фиг.2, 3, на которой закреплены все светодиодные модули 1, электромонтажной проводки, соединяющей блок питания 5 со светодиодными модулями и узла крепления 8 фиг.1, 2. Радиаторы 4 выполнены в виде многолепесткового диска, лепестки диска расположены осесимметрично, диск имеет в верхней части звездочку 9 фиг.3 зубчатой ременной передачи с заданным шагом. Светодиодные модули 1 установлены на несущую раму 7 с возможностью поворота вокруг собственной оси А-А фиг.1 в пределах угла до 360° и передвигаться радиально, в направлении к центру СБсРС по пазу 10 фиг.3. Все светодиодные модули через шестерни 9 объединены зубчатым передаточным ремнем 11. Звездочки светодиодных модулей поджимаются к зубчатому передаточному ремню плоской пружиной 12, которая может быть выполнена как цельной, так и в виде отдельных сегментов, в зависимости от габаритных размеров всего блока. Вторичная оптика светодиодного модуля обеспечивает любое, кроме круглосимметричного, заданное по условиям задачи светораспределение, например, одно из приведенных на фиг.4. Электромонтаж выполнен гибким (витым) проводом (кабелем), обеспечивающим свободный поворот каждого модуля в отдельности и всего блока модулей вместе на угол до 360°.
Работа по регулировке светораспределения ОП с СБсРС производится следующим образом. После монтажа ОП на место, проверяется соответствие освещенности в контрольных точках на расчетной рабочей поверхности, выявляются участки с заниженной освещенностью, требующие дополнительного освещения, и участки с завышенной (против норм) освещенностью. По выявленной ситуации оценивается целесообразность одновременного поворота всей системы вокруг центральной оси О-О или достаточность осуществить корректировку разворотом отдельных светодиодных модулей. Общий поворот всех модулей на нужный угол производится вращением системы вокруг общей оси О-О, не выводя модули из зацепления с зубчатым передаточным ремнем. При необходимости более точной регулировки распределения освещенности по рабочей поверхности, ее выполняют поворотом на некоторый угол отдельных модулей 1. С этой целью необходимо регулируемый модуль сдвинуть (нажатием) по пазу 10 фиг.3, по направлению к центру, сместив его на высоту зуба ременной передачи, до вывода из зацепления с ней, повернуть модуль на необходимый угол вокруг его собственной оси А-А и, отпустив, модуль вновь ввести в зацепление с ремнем. При крупногабаритных системах светодиодные модули могут фиксироваться в рабочем положении механическими устройствами, например резьбовой парой 13 фиг 1.
В приведенном на фиг.2 примере установлено 8 (восемь) светодиодных модулей 1. Каждая звездочка 9 модуля имеет 16 зубьев, модули объединены зубчатым приводным ремнем 11 диаметром 267,5 мм с числом зубьев 105. Таким образом, при повороте всей системы на один зуб, все модули повернутся вокруг центральной оси О-О на 3,43°, а каждый модуль еще на 22,5° вокруг своей оси А-А. При индивидуальной регулировке, при повороте отдельного модуля на один зуб, световой пучок, формируемый этим модулем, развернется на угол 22,5° вокруг оси А-А, Конкретное светораспределение ОП в целом будет определяться взаимным положением светодиодных модулей в каждой конкретной ситуации.
n
m
Общее количество вариантов светораспределения, которое можно получить, определится как количество сочетаний всех вариантов размещения светодиодных модулей при их вращении вокруг своей оси: C =n*(n-1)*(n-2)…-(n-m+1)/1*2*3*…m (8),
где: n - суммарное количество возможных положений (размещений) всех модулей вокруг своих осей 16*8=128;
m - количество модулей, одновременно участвующих в сочетании - 8.
Расчеты показывают, что при заданных параметрах возможности регулирования многократно превышают реальные потребности практики. Базовое положение модулей помечается указательными знаками-отметками на модуле и кронштейне, а соответствующее ему светораспределение приводится в технической сопроводительной документации.
Светодиодные модули могут группироваться в светотехнические блоки различной формы, с размещением их по окружности, эллипсу, прямоугольнику, многоугольнику и т.д.
Собранный светотехнический блок монтируется в корпус ОП, конструкция, габаритные размеры и форма которого определяются исходя из эксплуатационных и архитектурно-художественных требований к изделию. ОП жестко закрепляется за узел подвеса 8 на монтажную поверхность.
Таким образом, светотехнический блок состоит из двух и более светодиодных модулей, каждый из которых состоит из светодиода, вторичной оптики с заданным светораспределением, радиатора для охлаждения светодиода и блока питания, объединенных в цельную конструкцию на жестком основании, светодиодные модули оснащены зубчатыми звездочками и закреплены на основании с возможностью поворота вокруг своей оси на угол от 0° до 360° и радиального перемещения, все звездочки блоков объединены зубчатым передаточным ремнем и находятся с ним в зацеплении, звездочки поджимаются к ремню подпружиненным устройством и обеспечивают его натяжение, при повороте ремня одновременно с ним поворачиваются в том же направлении звездочки и соединенные с ними светодиодные модули, соответственно, разворачиваются световые пучки, формируемые оптикой каждого светодиода; при индивидуальной регулировке светораспределения по освещаемой площадке от каждого модуля, он выводится из зацепления с зубчатым ремнем, а, следовательно, и от механической связи с другими модулями, смещением его в радиальном направлении (внутрь), на величину высоты зуба ремня, и поворачивается вокруг своей оси на угол, необходимый для разворота светового пучка модуля в нужном направлении; комбинируя положением отдельных светодиодных модулей путем поворота каждого из них вокруг своей оси и варьируя углом их общего разворота вокруг общей оси, обеспечивается возможность получения многовариантного распределения освещенности на рабочей поверхности с помощью одного и того же ОП без его демонтажа, число возможных вариантов распределения освещенности равно числу сочетаний из суммарного количества возможных положений всех светодиодных модулей - «n» и количества светодиодных модулей в светотехническом блоке - «m»:
m
n
C =n*(n-1)*(n-2)*…(n-m+1)/1*2*3*…m, где
n - суммарное количество возможных положений всех модулей, входящих в светодиодный блок;
m - количество светодиодных модулей в светотехническом блоке.
В соответствии с требованиями заказчика блок изготовлен с возможностью только общей регулировки светораспределением ОП или с возможностью только индивидуальной регулировки светораспределения каждым модулем, при этом устанавливаются элементы конструкции, участвующие в обеспечении соответствующего вида регулировки.
Предложенная конструкция светотехнического светодиодного блока позволяет создавать различные ОП, обеспечивающие возможность осуществлять тонкую регулировку распределения светового потока источников света на освещаемой рабочей поверхности, как в процессе монтажа, так и в процессе эксплуатации, в соответствии с требованиями потребителя к осветительной установки на текущий момент.
Источники информации
1. Осветительные установки. Г.М. Кнорринг. Энергоиздат, 1981 г.
2. Светильники. Общие техниченские условия. ГОСТ 17677-82.
3. Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний ГОСТ Р 54350-2011.
4. Справочная книга по светотехнике, 3-е издание, ЗНАК, 2006 г.
5. Каталог продукции международной группы компаний «СВЕТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ». 2012 г.
6. Томи Кунтце. Выбор оптики для светодиодов. M.: «ИД Электроника», Современная светотехника, №1, 2009 г., стр.21.
7. Справочник по математике. И.Н. Бронштейн и К.А. Семенджяев, наука, 1964 г.