Lichttechnische Simulation von LED-Leuchten

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1 Lichttechnische Simulation von LED-Leuchten Wirkung Energie - Funktion Erny Niederberger Technik & Architektur, CC IIEE Zürich, 18. Sept Licht@hslu CC IIEE Niederberger I 1

2 Optische Simulation Prinzip: «point-and-shoot ray tracing» 1. Lichtquelle sendet Lichtstahl 2. geometrische und optische Eigenschaften Oberflächen ergeben Bahn 3. Berechnung wird x-fach wiederholt CC IIEE Niederberger I 2

3 Optische Simulation am Beispiel BALTENSWEILER ZETT Ausgangslage: Bessere LED verfügbar Hersteller empfiehlt Verwendung der LED nicht mehr Aufgabenstellung: Charakteristik des Produktes beibehalten Optimierungsziele: Optische Effizienz Lichtverteilungskurve (LVK) Abstrahlwinkel CC IIEE Niederberger I 3

4 Beispiel BALTENSWEILER ZETT «Eichung» der Simulation Vorgehen: 1. Simulation des Systems LED und Reflektor 2. Herstellung Reflektor 3. Lichttechnische Messung der LVK Resultat: Simulation ist aussagekräftig Messung versus Simulation CC IIEE Niederberger I 4

5 Beispiel BALTENSWEILER ZETT Gleicher Reflektor für zwei «ähnliche» LED's? LED A Optik A LED B Optik A Visualisierung Simulationsresultat Lichtzeichnung komplett anders Grund: Unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken der LEDs Fläche in 1m Abstand Licht@hslu CC IIEE Niederberger I 5

6 Beispiel BALTENSWEILER ZETT Abstrahlcharakteristik soll gleich bleiben Ergebnis: LED A + Sekundäroptik A Ersetzen der LED erfordert neue Sekundäroptik = Adaption einer Optik mit Simulation einfach und kostengünstig möglich LED B + Sekundäroptik B Simulation ermöglicht dem Innovationszyklus der LED Technologie zu folgen Licht@hslu CC IIEE Niederberger I 6

7 Optische Simulation am Beispiel BALTENSWEILER HALO Aufgabenstellung: Teil des Lichts muss nach hinten Vorgaben: Umriss Grösse Lichtleitermaterial Einbaumethode Lösungsmethodik: Strahlenbündel Optimierungsfunktion CC IIEE Niederberger I 7

8 Beispiel BALTENSWEILER HALO vorher Resultat Lichtleiter Lichtstrahlen gehen direkter durch den Lichtleiter Verbesserung der Beleuchtungsstärke um Faktor 3.2 nachher Verbesserung des Lichtstroms um Faktor 2.6 Herstellung wesentlich vereinfacht CC IIEE Niederberger I 8

9 Optischen Simulation am Beispiel Spektrale Lichtmischung Modell der Leuchte im optischen Simulationsprogramm Prototyp Spektrale Leuchte mit und ohne Diffusor CC IIEE Niederberger I 9

10 Beispiel Spektrale Lichtmischung Resultate spektrale Lichtmischung Der reale Farbeindruck entspricht sehr gut dem simulierten Bild reale Leuchte Simulation CC IIEE Niederberger I 10

11 Beispiel Spektrale Lichtmischung Resultate spektrale Lichtmischung: Die reale Emission entspricht sehr gut dem berechneten Wert Berechnung der spektralen Emission (Zusammensetzung des Lichts aus einzelnen LED's) Messung der spektralen Emission mittels Spektrometer CC IIEE Niederberger I 11

12 Ausblick LEDs ohne primäre Optik Luxeon Z 1.7 x C ma: 148 lm@102 lm/w Berechnung der spektralen Emission (Zusammensetzung des Lichts aus einzelnen LED's) Keine primäre Optik Rahul Bammi, VP product management at Lumileds: Luxeon Z fundamentally takes the building-block approach and puts design flexibility back in the hands of engineers and specifiers, Licht@hslu CC IIEE Niederberger I 12

13 Zusammenfassung Nutzen optischer Simulation: Qualität der Prototypen wird wesentlich verbessert weniger Prototypen sind nötig Entwicklungszeit wird verkürzt Kosten für eine Entwicklung werden kleiner Bessere Lösungen sind möglich, dank mehreren Iterationsschritten und automatisierter Optimierung mittels Software CC IIEE Niederberger I 13

14 Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hochschule Luzern Wirkung- Energie - Funktion Erny Niederberger Technik & Architektur, CC IIEE Zürich, 18. Sept Licht@hslu Lichttechnische CC IIEE Simulation Niederberger I 14 von LED-Leuchten I 14