LED Aydınlatma Armatürlerinde PCB Yüzey Renginin Işık Akısı ve Fotometrik Verimlilik Üzerindeki Etkisinin Simülasyon Temelli Analizi

Öz

LED armatürlerin optik performansı genellikle ışık kaynağının özellikleri, optik bileşenler ve armatür geometrisi üzerinden değerlendirilmektedir. Bununla birlikte, baskılı devre kartları (PCB'ler) literatürde temel olarak mekanik destek ve termal yönetim elemanları olarak görülmekte, yüzey özelliklerinin optik performans üzerindeki etkisi ise sınırlı ilgi görmektedir. Oysaki LED kaynaklarından yayılan ışığın bir kısmı, doğrudan veya dolaylı olarak PCB yüzeyine ulaşmakta ve burada yüzeyin optik özelliklerine bağlı olarak soğurulmakta veya yansıtılmaktadır; bu durum, özellikle kompakt armatür tasarımlarında toplam ışık akısını etkileme potansiyeline sahiptir. Bu çalışmada, PCB yüzey renginin LED armatürlerin optik performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Siyah/beyaz boyalı, alüminyum ve reflektif PCB yüzeyleri, farklı ilintili renk sıcaklıkları (CCT) altında ve lens ile koruyucu cam dahil olmak üzere optik bileşenli ve bileşensiz çeşitli armatür konfigürasyonlarında analiz edilmiştir. Bu analiz Işın izleme (ray-tracing) tabanlı optik simülasyonlar TracePro yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ölçüm düzlemine ulaşan toplam ışık akısı ile PCB yüzeyine gelen ve yüzey tarafından soğurulan ışık miktarı temel performans göstergeleri olarak değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, PCB yüzey renginin ışık akısı üzerinde ölçülebilir ve tutarlı bir etkiye sahip olduğunu göstermekte; PCB yüzeylerinin yüksek verimli LED armatür tasarımında bir optik tasarım parametresi olarak dikkate alınması gerektiğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• LED Armatür Tasarımı
• PCB Yüzey Rengi
• Optik Performans
• Işın İzleme
• Işık Akısı

Simulation-Based Analysis of the Effect of PCB Surface Color on Luminous Flux and Photometric Efficiency in LED Luminaires

Öz

The optical performance of LED luminaires is generally evaluated based on the characteristics of the light source, optical components, and luminaire geometry. However, printed circuit boards (PCBs) are primarily regarded in the literature as mechanical support and thermal management elements, while the impact of their surface properties on optical performance has received limited attention. In fact, a portion of the light emitted from LED sources reaches the PCB surface directly or indirectly, where it is either absorbed or reflected depending on the surface's optical properties; this has the potential to influence the total luminous flux, particularly in compact luminaire designs. In this study, the effect of PCB surface color on the optical performance of LED luminaires was investigated. Black/white panit, aluminum and reflective PCB surfaces were analyzed under different correlated color temperatures (CCT) and in various luminaire configurations, both with and without optical components, including lenses and protective glass. These analyses were performed using ray-tracing-based optical simulations in TracePro software. The total luminous flux reaching the measurement plane, as well as the amount of light incident on and absorbed by the PCB surface, were evaluated as key performance indicators. The results demonstrate that PCB surface color has a measurable and consistent impact on luminous flux, suggesting that PCB surfaces should be considered as an optical design parameter in the development of high-efficiency LED luminaires.

Anahtar Kelimeler

• LED Luminaire Design
• PCB Surface Color
• Optical Performance
• Ray-Tracing
• Luminous Flux

Kaynakça

1. [1] Z. Arturas, M. S. Shur ve R. Gaska “Introduction to Solid- State Lighting”, New York: John Wiley & Sons, 2002.
2. [2] W.T. Welford ve R. Winston R. “Collection Nonimaging Optics”, New York: Academic Press, 1989.
3. [3] I. Ashdown, “Radiosity: A Programmer’s Perspective”, New York: John Wiley & Sons, 1994.
4. [4] A. Gago-Calderón, M.J. Hermoso-Orzáez, J.R. Andres-Diaz, G. Redrado-Salvatierra, “Evaluation of Uniformity and Glare Improvement with Low Energy Efficiency Losses in Street Lighting LED Luminaires Using Laser-Sintered Polyamide-Based Diffuse Covers”, Energies, 2018.
5. [5] Y. Pai, C. H. Lin, C. Lee, C. P. Lin C, C. Chen, H. Kuo, Z. Ye, “Enhancing the Light-Extraction Efficiency of AlGaN-Based Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes by Optimizing the Diameter and Tilt of the Aluminum Sidewall”, Crystals, 2018.
6. [6] M. Tsai, X. H. Lee, Y.C. Lo, C. C. Sun, “Optical Design of Tunnel Lighting With White Light-emitting Diodes”, Applied Optics, 2014.
7. [7] N. Narendran, Y. Gu, JP. Freyssinier-Nova, “Thermal and optical considerations in LED luminaire design”, Proc SPIE. 2005.
8. [8] Dr. S. Manfred, L. Holger, T. Johannes, “Conformal coatings, solder resists and casting compounds – optical requirements and performance in LED applications”, Peters, Report no. 166, 2014.

9. [9] Lambda Research Corporation. TracePro User’s Manual.
10. [10] I. Renhorn, G. Boreman, “Analytical Fitting Model For Rough-Surface BRDF”, Optics Express, 2008
11. [11] J. Audenaert, F. B. Leloup, B. V. Giel, G. Durinck, G. Deconinck, P. Hanselaer, “Impact of the accurateness of bidirectional reflectance distribution function data on the intensity and luminance distributions of a lightemitting diode mixing chamber as obtained by simulations”, Optical Engineering, 2013.
12. [12] TSE CEN/TR 13201-1, “Yol Aydınlatması-Bölüm 1:Aydınlatma sınıflarının seçimiyle ilgili kılavuz bilgiler”, Ankara, 2015
13. [13] L. Fu, R. Leutz, H. Rİes “Light Recycling İn Solid State Devices”, Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2005
14. [14] X. Xu, J. Rao, X. Liang, Z. Zhu, Y. Peng, “Mathematical Analysis and Freeform Surface Modeling for LED Illumination Systems Incorporating Diffuse Reflection and Total Internal Reflection”, Photonics, 2025.
15. [15] European Commission, Ecodesign Impact Accounting Overview Report, 2024.