Laditelné LED moduly založené na CSP-COB
Abstraktní: Výzkum ukázal korelaci mezi barvou světelných zdrojů a lidským cirkadiánním cyklem. Barevné ladění s ohledem na potřeby prostředí se stává stále důležitějším ve vysoce kvalitních aplikacích osvětlení. Dokonalé spektrum světla by mělo vykazovat kvality nejbližší slunečnímu světlu s vysokým CRI, ale v ideálním případě naladěný na lidskou citlivost.Lidské centrické světlo (HCL) musí být navrženo podle měnícího se prostředí, jako jsou víceúčelová zařízení, učebny, zdravotní péče, a vytvořit atmosféru a estetiku.Laditelné LED moduly byly vyvinuty kombinací čipových balíčků (CSP) a technologie chip on board (COB).CSP jsou integrovány na desce COB, aby se dosáhlo vysoké hustoty výkonu a stejnoměrnosti barev, a zároveň přidaly novou funkci laditelnosti barev. Výsledný světelný zdroj lze plynule ladit od jasného, chladnějšího barevného osvětlení během dne až po stmívání, teplejší osvětlení večer, Tento dokument podrobně popisuje design, proces a výkon LED modulů a jejich použití v teplem stmívacích LED svítidlech a závěsných svítidlech.
klíčová slova:HCL, cirkadiánní rytmy, laditelná LED, duální CCT, teplé stmívání, CRI
Úvod
LED, jak ji známe, existuje již více než 50 let.Nedávný vývoj bílých LED diod je to, co je přivedlo do povědomí veřejnosti jako náhradu za jiné zdroje bílého světla. Ve srovnání s tradičními zdroji světla, LED nepředstavuje pouze výhody úspory energie a dlouhé životnosti, ale také otevírá dveře nová flexibilita designu pro digitalizaci a barevné ladění. Existují dva primární způsoby výroby diod vyzařujících bílé světlo (WLED), které generují vysoce intenzivní bílé světlo. Jedním z nich je použití jednotlivých LED, které vyzařují tři základní barvy – červenou, zelenou a modrou. —a poté smícháním tří barev vytvoříme bílé světlo. Druhým je použití fosforových materiálů k přeměně monochromatického modrého nebo fialového světla LED na širokospektrální bílé světlo, podobně jako funguje fluorescenční žárovka. Je důležité si uvědomit že „bělost“ produkovaného světla je v podstatě navržena tak, aby vyhovovala lidskému oku, a v závislosti na situaci nemusí být vždy vhodné považovat to za bílé světlo.
Chytré osvětlení je v dnešní době klíčovou oblastí v chytrých budovách a chytrých městech. Na navrhování a instalaci chytrého osvětlení v nových konstrukcích se podílí stále větší počet výrobců. Důsledkem toho je, že v různých značkách produktů je implementováno obrovské množství komunikačních vzorů. ，jako KNx) BACnetP', DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks atd. Jedním z kritických problémů všech těchto produktů je, že nemohou vzájemně spolupracovat (tj. nízká kompatibilita a rozšiřitelnost).
LED svítidla se schopností dodávat různou barvu světla jsou na trhu architektonického osvětlení již od počátků polovodičového osvětlení (SSL). Přestože osvětlení s možností ladění barev zůstává ve vývoji a vyžaduje určité množství domácích úkolů. specifikátor, pokud má být instalace úspěšná.Existují tři základní kategorie typů barevného ladění v LED svítidlech: bílé ladění, tlumené do teplého a plně barevné ladění. Všechny tři kategorie lze ovládat bezdrátovým vysílačem pomocí Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth nebo jiné protokoly，a jsou pevně připojeny k napájení budovy. Díky těmto možnostem poskytuje LED možná řešení pro změnu barvy nebo CCT tak, aby vyhovovaly lidským cirkadiánním rytmům.
Cirkadiánní rytmy
Rostliny a zvířata vykazují vzorce chování a fyziologických změn během přibližně 24hodinového cyklu, které se opakují po sobě následující dny – jedná se o cirkadiánní rytmy. Cirkadiánní rytmy jsou ovlivněny exogenními a endogenními rytmy.
Cirkadiánní rytmus je řízen melatoninem, což je jeden z hlavních hormonů produkovaných v mozku.A také navozuje ospalost. Melanopsinové receptory nastavují cirkadiánní fázi modrým světlem po probuzení tím, že zastavují produkci melatoninu. plně vstoupit do různých fází spánku, což je kritická regenerační doba pro lidské tělo. Kromě toho, dopad narušení cirkadiánního dne přesahuje bdělost během dne a spánek v noci.
O biologických rytmech u lidí lze obvykle měřit několika způsoby, cyklem spánek/bdění, tělesnou teplotou, koncentrací melatoninu, koncentrací kortizolu a koncentrací alfa amylázy8. Ale světlo je primární synchronizátor cirkadiánních rytmů s místní polohou na Zemi, protože Intenzita světla, distribuce spektra, načasování a trvání mohou ovlivnit lidský cirkadiánní systém. To také ovlivňuje denní vnitřní hodiny.Doba vystavení světlu může buď posunout nebo zpozdit vnitřní hodiny."Cirkadiánní rytmy ovlivní výkon a pohodlí člověka atd. Lidský cirkadiánní systém je nejcitlivější na světlo při 460 nm (modrá oblast viditelného spektra), zatímco zrakový systém je nejcitlivější. na 555nm (zelená oblast). Jak používat laditelný CCT a intenzitu ke zlepšení kvality života je tedy stále důležitější. Barevně laditelné LED diody s integrovaným snímacím a řídicím systémem lze vyvinout tak, aby splňovaly požadavky na vysoký výkon a zdravé osvětlení .
Obr.1 Světlo má dvojí účinek na 24hodinový melatoninový profil, akutní účinek a efekt Phase-Shifting.
Design obalu
Když nastavíte jas běžného halogenu
lampy, barva se změní.Konvenční LED však není schopna vyladit teplotu barev při změně jasu, napodobuje stejnou změnu některých konvenčních osvětlení.V dřívějších dobách mnoho žárovek používalo LED s různými CCT LED kombinovanými na desce PCB
změnit barvu osvětlení změnou hnacího proudu.Potřebuje komplexní návrh světelného modulu obvodu pro ovládání CCT, což není snadný úkol pro výrobce svítidel. Jak návrh osvětlení postupuje, kompaktní svítidlo, jako jsou bodová světla a spodní světla, vyžaduje malé rozměry, LED moduly s vysokou hustotou, splňují požadavky na barevné ladění i kompaktní světelný zdroj, na trhu se objevují laditelné barevné COB.
Existují tři základní struktury typů barevného ladění, první využívá teplé CCT CSP a chladné CCT CsP připojení přímo na desce PCB, jak je znázorněno na obrázku 2. Druhý typ laditelný COB s LES vyplněný více pruhy různého CCT fosforu silikony, jak je znázorněno na obrázku
3. V této práci využívá třetí přístup smíchání teplých CCT CSP LED s modrými klopnými čipy a těsně připájenými na substrátu. Poté se nanese bílá reflexní silikonová přehrada, která obklopí teplé bílé CSP a modré klopné čipy. , je vyplněn silikonem obsahujícím fosfor pro dokončení dvoubarevného modulu COB, jak je znázorněno na obr.4.
Obr.4 Teplá barva CSP a modrý flip čip COB (Structure 3- ShineOn development)
Ve srovnání se strukturou 3 má struktura 1 tři nevýhody:
(a) Míchání barev mezi různými CSP světelnými zdroji v různých CCT není jednotné kvůli segregaci fosforového silikonu způsobeného čipy CSP světelných zdrojů;
(b) Světelný zdroj CSP se snadno poškodí fyzickým dotykem;
(c) Mezera každého světelného zdroje CSP snadno zachytí prach a způsobí snížení lumenu COB;
Structure2 má také své nevýhody:
(a) Potíže s řízením výrobního procesu a řízením CIE;
(b) Míchání barev mezi různými sekcemi CCT není jednotné, zejména pro vzor blízkého pole.
Obrázek 5 porovnává lampy MR 16 postavené se světelným zdrojem struktury 3 (vlevo) a struktury 1 (vpravo).Z obrázku můžeme zjistit, že Struktura 1 má světlý odstín ve středu vyzařovací oblasti, zatímco rozložení intenzity světla Struktury 3 je rovnoměrnější.
Aplikace
V našem přístupu využívajícím Strukturu 3 existují dva různé návrhy obvodů pro ladění barvy světla a jasu.V jednokanálovém obvodu, který má jednoduchý ovladač, jsou bílý řetězec CSP a modrý řetězec flip-chip zapojeny paralelně. V řetězci CSP je pevný rezistor.Pomocí rezistoru je budicí proud rozdělen mezi CSP a modré čipy, což má za následek změnu barvy a jasu. Podrobné výsledky ladění jsou uvedeny v tabulce 1 a na obrázku 6. Křivka barevného ladění jednokanálového obvodu je znázorněna na obrázku 7.CCT se zvyšuje s hnacím proudem.Realizovali jsme dvě ladění, přičemž jedna emuluje konvenční halogenovou žárovku a druhá více lineární ladění.Rozsah laditelných CCT je od 1800K do 3000K.
Stůl 1.Změna toku a CCT s budícím proudem ShineOn jednokanálového COB Model 12SA
Obr.7 Ladění CCT spolu s křivkou černého tělesa s budícím proudem v jednokanálovém obvodově řízeném COB(7a) a dvou
ladění chování s relativní svítivostí ve vztahu k halogenové žárovce (7b)
Druhý návrh používá dvoukanálový obvod, kde je laditelné uspořádání CCT širší než jednokanálový obvod. Struna CSP a modrý řetězec flip-chip jsou na substrátu elektricky odděleny, a proto vyžaduje speciální napájení. Barva a jas jsou vyladěny řízení dvou obvodů na požadovanou úroveň proudu a poměr.Lze jej naladit od 3000k do 5700Kas, jak je znázorněno na obrázku 8 ShineOn dvoukanálového COB modelu 20DA. Tabulka 2 uvádí podrobné výsledky ladění, které mohou přesně simulovat změnu denního světla od rána do večera. Kombinací použití senzoru obsazenosti a ovládání obvody, tento laditelný světelný zdroj pomáhá zvýšit expozici modrému světlu během dne a snížit expozici modrému světlu během noci, podporuje pohodu lidí a lidský výkon, stejně jako funkce chytrého osvětlení.
souhrn
Laditelné LED moduly byly vyvinuty kombinací
chip scale packages (CSP) a chip on board (COB) technologie.CSPs a modrý flip čip jsou integrovány na desce COB pro dosažení vysoké hustoty výkonu a stejnoměrnosti barev, dvoukanálová struktura se používá k dosažení širšího ladění CCT v aplikacích, jako je komerční osvětlení.Jednokanálová struktura se používá k dosažení funkce stmívání až tepla emulující halogenovou žárovku v aplikacích, jako je domácnost a pohostinství.
978-1-5386-4851-3/17/$31.00 02017 IEEE
Potvrzení
Autoři by rádi poděkovali za financování z The National Key Research and Development
Program Číny (č. 2016YFB0403900).Navíc podpora od kolegů v ShineOn (Peking)
Společnost Technology Co je také vděčně oceněna.
Reference
[1] Han, N., Wu, Y.-H.a Tang, Y,"Výzkum zařízení KNX
Uzel a vývoj založený na modulu rozhraní sběrnice, 29. čínská kontrolní konference (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. a Hong, SH „Nový návrh systému řízení sítě pro BACnet a jeho referenční model“, 8. mezinárodní konference IEEE o průmyslové informatice (INDIN), 2010, 28-33.
[3]Wohlers I, Andonov R. a Klau GW „DALIX: Optimální uspořádání proteinové struktury DALI“, IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10, 26-36.
[4]Dominguez, F, Touhafi, A., Tiete, J. a Steen haut, K.,
„Koexistence s WiFi pro produkt ZigBee pro domácí automatizaci“, 19. sympozium IEEE o komunikačních a automobilových technologiích v Beneluxu (SCVT), 2012, 1.–6.
[5]Lin, WJ, Wu, QX a Huang, YW, „Automatický odečtový systém založený na komunikaci po elektrickém vedení společnosti LonWorks“, Mezinárodní konference o technologii a inovacích (ITIC 2009), 2009, 1-5.
[6] Ellis, EV, Gonzalez, EW a kol. „Automatické ladění denního světla pomocí LED: Udržitelné osvětlení pro zdraví a pohodu“, Sborník jarní výzkumné konference ARCC 2013, březen 2013
[7] Bílá kniha Lighting Science Group „Lighting: the Way to Health & Productivity“, 25. dubna 2016.
[8] Figueiro, MG, Bullough, JD, et al, "Předběžný důkaz pro změnu ve spektrální citlivosti cirkadiánního systému v noci", Journal of Circadian Rhythms 3:14.února 2005.
[9]Inanici, M, Brennanová, M, Clark, E," Spectral Daylighting
Simulations: Computing Circadian Light", 14. konference International Building Performance Simulation Association, Hyderabad, Indie, prosinec 2015.