Laditeľné LED moduly založené na CSP-COB
Abstrakt: Výskum ukázal koreláciu medzi farbou svetelných zdrojov a ľudským cirkadiánnym cyklom. Farebné ladenie podľa environmentálnych potrieb sa stáva čoraz dôležitejším vo vysokokvalitných svetelných aplikáciách. Dokonalé spektrum svetla by malo vykazovať kvality najbližšie slnečnému svetlu s vysokým CRI, ale ideálne je naladený na ľudskú citlivosť.Ľudské centrické svetlo (HCL) musí byť navrhnuté v súlade s meniacim sa prostredím, ako sú viacúčelové zariadenia, učebne, zdravotná starostlivosť, a vytvoriť atmosféru a estetiku.Laditeľné LED moduly boli vyvinuté kombináciou balíkov čipovej stupnice (CSP) a technológie chip on board (COB).CSP sú integrované na doske COB, aby sa dosiahla vysoká hustota výkonu a jednotnosť farieb, pričom sa pridáva nová funkcia laditeľnosti farieb. Výsledný svetelný zdroj je možné plynulo ladiť od jasného, chladnejšieho farebného osvetlenia počas dňa až po stmievanie, teplejšie osvetlenie večer, Tento dokument podrobne popisuje dizajn, proces a výkon LED modulov a ich použitie v teplom stmievacom LED dolnom a závesnom svietidle.
Kľúčové slová:HCL, cirkadiánne rytmy, laditeľné LED, duálne CCT, teplé stmievanie, CRI
Úvod
LED dióda, ako ju poznáme, existuje už viac ako 50 rokov.Nedávny vývoj bielych LED je to, čo ich priviedlo do povedomia verejnosti ako náhradu za iné zdroje bieleho svetla. V porovnaní s tradičnými svetelnými zdrojmi, LED nepredstavuje len výhody úspory energie a dlhej životnosti, ale otvára aj dvere nová flexibilita dizajnu pre digitalizáciu a farebné ladenie. Existujú dva hlavné spôsoby výroby diód vyžarujúcich biele svetlo (WLED), ktoré generujú biele svetlo s vysokou intenzitou. Jedným z nich je použitie jednotlivých LED, ktoré vyžarujú tri základné farby – červenú, zelenú a modrú. —a potom zmiešaním troch farieb vytvoríme biele svetlo. Ďalším je použitie fosforových materiálov na premenu monochromatického modrého alebo fialového svetla LED na širokospektrálne biele svetlo, podobne ako funguje fluorescenčná žiarovka. Je dôležité poznamenať že „belosť“ produkovaného svetla je v podstate navrhnutá tak, aby vyhovovala ľudskému oku, a v závislosti od situácie nemusí byť vždy vhodné považovať to za biele svetlo.
Inteligentné osvetlenie je v súčasnosti kľúčovou oblasťou inteligentnej budovy a inteligentného mesta. Na navrhovaní a inštalácii inteligentného osvetlenia v nových konštrukciách sa podieľa čoraz väčší počet výrobcov. Dôsledkom toho je, že v rôznych značkách produktov je implementované obrovské množstvo komunikačných vzorov. ，ako KNx) BACnetP', DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks, atď. Jedným z kritických problémov všetkých týchto produktov je, že nemôžu navzájom spolupracovať (tj nízka kompatibilita a rozšíriteľnosť).
LED svietidlá so schopnosťou dodávať rôznu farbu svetla sú na trhu architektonického osvetlenia už od počiatkov polovodičového osvetlenia (SSL). Hoci osvetlenie s možnosťou ladenia farieb zostáva stále vo vývoji a vyžaduje si určité množstvo domácich úloh. špecifikátor, ak má byť inštalácia úspešná.V LED svietidlách existujú tri základné kategórie typov farebného ladenia: biele ladenie, tlmené do teplej a plne farebne ladené. Všetky tri kategórie je možné ovládať bezdrôtovým vysielačom pomocou Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth alebo iné protokoly，a sú pevne pripojené k napájaniu budovy.Vďaka týmto možnostiam poskytuje LED možné riešenia na zmenu farby alebo CCT tak, aby vyhovovali ľudským cirkadiánnym rytmom.
Cirkadiánní rytmy
Rastliny a zvieratá vykazujú vzorce behaviorálnych a fyziologických zmien počas približne 24-hodinového cyklu, ktoré sa opakujú počas nasledujúcich dní – ide o cirkadiánne rytmy. Cirkadiánne rytmy sú ovplyvnené exogénnymi a endogénnymi rytmami.
Cirkadiánny rytmus je riadený melatonínom, jedným z hlavných hormónov produkovaných v mozgu.A tiež navodzuje ospalosť. Melanopsínové receptory nastavujú cirkadiánnu fázu s modrým svetlom po prebudení tým, že zastavia produkciu melatonínu. plne vstúpiť do rôznych fáz spánku, čo je kritický regeneračný čas pre ľudské telo. Okrem toho, vplyv narušenia cirkadiánneho dňa presahuje všímavosť počas dňa a spánok v noci.
O biologických rytmoch u ľudí sa dá zvyčajne merať niekoľkými spôsobmi: cyklus spánok/bdenie, telesná teplota, koncentrácia melatonínu, koncentrácia kortizolu a koncentrácia alfa amylázy8. Ale svetlo je primárnym synchronizátorom cirkadiánnych rytmov s miestnou polohou na Zemi, pretože Intenzita svetla, distribúcia spektra, načasovanie a trvanie môžu ovplyvniť ľudský cirkadiánny systém. To ovplyvňuje aj denné vnútorné hodiny.Čas vystavenia svetlu môže buď posunúť alebo oneskoriť vnútorné hodiny." Cirkadiánne rytmy ovplyvnia výkon a pohodlie človeka atď. Ľudský cirkadiánny systém je najcitlivejší na svetlo pri 460 nm (modrá oblasť viditeľného spektra), zatiaľ čo vizuálny systém je najcitlivejší. na 555 nm (zelená oblasť). Ako používať laditeľné CCT a intenzitu na zlepšenie kvality života je teda čoraz dôležitejšie. Farebne laditeľné LED diódy s integrovaným snímacím a riadiacim systémom môžu byť vyvinuté tak, aby spĺňali požiadavky na vysoký výkon a zdravé osvetlenie .
Obr.1 Svetlo má dvojaký účinok na 24-hodinový profil melatonínu, akútny účinok a efekt fázového posunu.
Dizajn balenia
Keď nastavíte jas bežného halogénu
lampy, farba sa zmení.Konvenčné LED však nie sú schopné vyladiť teplotu farieb pri zmene jasu, napodobňujúc rovnakú zmenu niektorého bežného osvetlenia.V predchádzajúcich dňoch veľa žiaroviek používalo LED s rôznymi CCT LED kombinovanými na doske PCB
zmeniť farbu osvetlenia zmenou hnacieho prúdu.Vyžaduje si komplexný dizajn svetelného modulu na ovládanie CCT, čo nie je ľahká úloha pre výrobcu svietidiel. Ako sa vyvíja dizajn osvetlenia, kompaktné osvetľovacie teleso, ako sú bodové svetlá a spodné svetlá, má malú veľkosť, LED moduly s vysokou hustotou. spĺňajú požiadavky na farebné ladenie aj kompaktný svetelný zdroj, na trhu sa objavujú laditeľné farebné COB.
Existujú tri základné štruktúry typov ladenia farieb, prvá využíva teplé CCT CSP a studené CCT CsP spojenie priamo na doske PCB, ako je znázornené na obrázku 2. Druhý typ laditeľných COB s LES vyplnenými viacerými pruhmi rôzneho CCT fosforu silikóny, ako je znázornené na obrázku
3. V tejto práci je tretím prístupom zmiešanie teplých CCT CSP LED s modrými klopnými čipmi a tesne prispájkovanými na substráte. Potom sa nanesie biela reflexná silikónová priehradka, ktorá obklopí teplé biele CSP a modré klopné čipy. , je naplnená silikónom obsahujúcim fosfor, aby sa dokončil dvojfarebný modul COB, ako je znázornené na obr.
Obr.4 Teplá farba CSP a modrý flip čip COB (Structure 3- ShineOn development)
V porovnaní so štruktúrou 3 má štruktúra 1 tri nevýhody:
a) Miešanie farieb medzi rôznymi svetelnými zdrojmi CSP v rôznych CCT nie je jednotné v dôsledku segregácie fosforového silikónu spôsobeného čipmi svetelných zdrojov CSP;
(b) Svetelný zdroj CSP sa ľahko poškodí fyzickým dotykom;
(c) Medzera každého svetelného zdroja CSP ľahko zachytí prach a spôsobí zníženie lúmenu COB;
Structure2 má aj svoje nevýhody:
a) Ťažkosti s kontrolou výrobného procesu a kontrolou CIE;
(b) Miešanie farieb medzi rôznymi sekciami CCT nie je jednotné, najmä pre vzor blízkeho poľa.
Obrázok 5 porovnáva lampy MR 16 postavené so svetelným zdrojom štruktúry 3 (vľavo) a štruktúry 1 (vpravo).Z obrázku môžeme zistiť, že Štruktúra 1 má svetlý odtieň v strede vyžarovacej oblasti, pričom rozloženie intenzity svetla Štruktúry 3 je rovnomernejšie.
Aplikácie
V našom prístupe s použitím štruktúry 3 existujú dva rôzne návrhy obvodov na ladenie farby svetla a jasu.V jednokanálovom obvode, ktorý má jednoduchú požiadavku na budič, sú biely reťazec CSP a modrý reťazec flip-chip zapojené paralelne. V reťazci CSP je pevný odpor.Pomocou rezistora sa budiaci prúd rozdelí medzi CSP a modré čipy, čo vedie k zmene farby a jasu. Podrobné výsledky ladenia sú uvedené v tabuľke 1 a na obrázku 6. Krivka ladenia farieb jednokanálového obvodu je znázornená na obrázku 7.CCT sa zvyšuje s hnacím prúdom.Uskutočnili sme dva spôsoby ladenia s jedným emulujúcim konvenčnú halogénovú žiarovku a druhým lineárnejším ladením.Laditeľný rozsah CCT je od 1800K do 3000K.
Stôl 1.Zmena toku a CCT s budiacim prúdom ShineOn jednokanálového COB Model 12SA
Obr.7 Ladenie CCT spolu s krivkou čierneho telesa s budiacim prúdom v jednokanálovom obvode riadenom COB(7a) a dvoch
ladenie správania s relatívnou svietivosťou vo vzťahu k halogénovej žiarovke (7b)
Druhý dizajn používa dvojkanálový obvod, kde je laditeľné usporiadanie CCT širšie ako jednokanálový obvod. Struna CSP a modrá struna s flip-chipom sú na substráte elektricky oddelené, a preto si vyžaduje špeciálne napájanie. Farba a jas sú vyladené riadenie dvoch obvodov na požadovanú úroveň prúdu a pomer.Dá sa vyladiť od 3000k do 5700Kas, ako je znázornené na obrázku 8 dvojkanálového COB modelu ShineOn 20DA. V tabuľke 2 sú uvedené podrobné výsledky ladenia, ktoré dokážu presne simulovať zmenu denného svetla od rána do večera. Kombináciou použitia snímača obsadenosti a ovládania obvody, tento laditeľný svetelný zdroj pomáha zvýšiť vystavenie modrému svetlu počas dňa a znížiť vystavenie modrému svetlu počas noci, podporuje pohodu ľudí a ľudský výkon, ako aj funkcie inteligentného osvetlenia.
Zhrnutie
Laditeľné LED moduly boli vyvinuté kombináciou
chip scale packages (CSP) a chip on board (COB).CSPs a modrý flip čip sú integrované na doske COB, aby sa dosiahla vysoká hustota výkonu a jednotnosť farieb, dvojkanálová štruktúra sa používa na dosiahnutie širšieho ladenia CCT v aplikáciách, ako je komerčné osvetlenie.Jednokanálová štruktúra sa používa na dosiahnutie funkcie stmievania až tepla emulujúcej halogénovú žiarovku v aplikáciách, ako je domácnosť a pohostinstvo.
978-1-5386-4851-3/17/31,00 USD 02017 IEEE
Poďakovanie
Autori by chceli poďakovať za financovanie z Národného kľúčového výskumu a vývoja
Program Číny (č. 2016YFB0403900).Navyše, podpora od kolegov v ShineOn (Peking)
Spoločnosť Technology Co je tiež vďačná.
Referencie
[1] Han, N., Wu, Y.-H.a Tang, Y,"Výskum zariadenia KNX
Uzol a vývoj založený na module rozhrania zbernice, 29. čínska kontrolná konferencia (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. a Hong, SH „Nový návrh systému riadenia siete pre BACnet a jeho referenčný model“, 8. medzinárodná konferencia IEEE o priemyselnej informatike (INDIN), 2010, 28-33.
[3]Wohlers I, Andonov R. a Klau GW,„DALIX: Optimálne zosúladenie štruktúry proteínov DALI“, IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10, 26-36.
[4]Dominguez, F, Touhafi, A., Tiete, J. a Steen haut, K.,
„Koexistencia s WiFi pre produkt ZigBee pre domácu automatizáciu“, 19. sympózium IEEE o komunikačných a dopravných technológiách v Beneluxe (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ, Wu, QX a Huang, YW, "Automatický systém odčítania meračov založený na komunikácii po silnoprúdovom vedení spoločnosti LonWorks", Medzinárodná konferencia o technológii a inováciách (ITIC 2009), 2009, 1-5.
[6] Ellis, EV, Gonzalez, EW a kol, „Automatické ladenie denného svetla s LED diódami: Trvalo udržateľné osvetlenie pre zdravie a pohodu“, Zborník z jarnej výskumnej konferencie ARCC 2013, marec 2013
[7] Biela kniha Lighting Science Group „Osvetlenie: cesta k zdraviu a produktivite“, 25. apríla 2016.
[8] Figueiro, MG, Bullough, JD, et al, "Predbežný dôkaz o zmene spektrálnej citlivosti cirkadiánneho systému v noci", Journal of Circadian Rhythms 3:14.február 2005.
[9]Inanici, M, Brennanová, M, Clark, E," Spectral Daylighting
Simulácie: Computing Circadian Light", 14. konferencia Medzinárodnej asociácie pre simuláciu výkonnosti budov, Hyderabad, India, dec.2015.