Przestrajalne moduły LED oparte na CSP-COB
Abstrakcyjny: Badania wykazały korelację pomiędzy barwą źródeł światła a cyklem dobowym człowieka. Dopasowanie kolorów do potrzeb środowiska staje się coraz ważniejsze w zastosowaniach oświetleniowych wysokiej jakości. Idealne spektrum światła powinno charakteryzować się cechami najbliższymi światłu słonecznemu przy wysokim CRI, ale idealnie dostosowane do ludzkiej wrażliwości.Światło skupione na człowieku (HCL) należy zaprojektować zgodnie ze zmieniającym się środowiskiem, takim jak obiekty wielofunkcyjne, sale lekcyjne, opieka zdrowotna, oraz aby stworzyć atmosferę i estetykę.Przestrajalne moduły LED zostały opracowane poprzez połączenie pakietów skali chipowej (CSP) i technologii chip on board (COB).Zasilacze CSP są zintegrowane na płycie COB, aby osiągnąć wysoką gęstość mocy i jednolitość kolorów, dodając jednocześnie nową funkcję dostrajania kolorów. Powstałe źródło światła można w sposób ciągły dostrajać od jasnego, chłodniejszego oświetlenia w ciągu dnia do przyciemnionego i cieplejszego oświetlenia wieczorem, W artykule szczegółowo opisano konstrukcję, proces i działanie modułów LED oraz ich zastosowanie w przyciemnianych na ciepło lampach typu downlight i lampach wiszących LED.
słowa kluczowe:HCL, rytmy dobowe, przestrajalna dioda LED, podwójny CCT, ciepłe przyciemnianie, CRI
Wstęp
Diody LED, jakie znamy, istnieją już od ponad 50 lat.Niedawny rozwój białych diod LED sprawił, że stały się one popularnym zamiennikiem innych źródeł białego światła. W porównaniu z tradycyjnymi źródłami światła, diody LED nie tylko zapewniają korzyści w postaci oszczędności energii i długiej żywotności, ale także otwierają drzwi do nowa elastyczność projektowania umożliwiająca digitalizację i dostrajanie kolorów. Istnieją dwa podstawowe sposoby wytwarzania białych diod elektroluminescencyjnych (WLED), które generują białe światło o dużej intensywności. Jednym z nich jest użycie pojedynczych diod LED, które emitują trzy podstawowe kolory — czerwony, zielony i niebieski — a następnie zmieszaj trzy kolory, aby uzyskać białe światło. Drugi sposób polega na użyciu materiałów fosforowych w celu przekształcenia monochromatycznego niebieskiego lub fioletowego światła LED w białe światło o szerokim spektrum działania, podobnie jak działa żarówka fluorescencyjna. Należy pamiętać że „białość” wytwarzanego światła jest zasadniczo dostosowana do ludzkiego oka i w zależności od sytuacji nie zawsze właściwe jest myślenie o niej jako o świetle białym.
Inteligentne oświetlenie to obecnie kluczowy obszar inteligentnego budynku i inteligentnego miasta. Coraz większa liczba producentów bierze udział w projektowaniu i montażu inteligentnego oświetlenia w nowych budynkach. Konsekwencją tego jest wdrażanie ogromnej liczby wzorców komunikacyjnych w produktach różnych marek ,takie jak KNx) BACnetP', DALI, ZigBee-ZHAZBA', PLC-Lonworks itp. Jednym z kluczowych problemów we wszystkich tych produktach jest to, że nie mogą one ze sobą współdziałać (tj. niska kompatybilność i rozszerzalność).
Oprawy LED z możliwością dostarczania zmiennej barwy światła są dostępne na rynku oświetlenia architektonicznego od początków oświetlenia półprzewodnikowego (SSL). Chociaż oświetlenie z możliwością dostrajania kolorów jest wciąż w toku i wymaga pewnej ilości pracy domowej ze strony określający, czy instalacja zakończy się pomyślnie.Istnieją trzy podstawowe kategorie typów dostrajania kolorów w oprawach LED: strojenie bieli, dostrajanie przyciemniane do ciepłych i dostrajanie pełnych kolorów. Wszystkimi trzema kategoriami można sterować za pomocą nadajnika bezprzewodowego za pomocą Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth lub inne protokoły i są podłączone na stałe do zasilania. Dzięki tym opcjom diody LED zapewniają możliwe rozwiązania umożliwiające zmianę koloru lub CCT w celu dostosowania do ludzkich rytmów dobowych.
Rytmy dobowe
Rośliny i zwierzęta wykazują wzorce zmian behawioralnych i fizjologicznych w ciągu około 24-godzinnego cyklu, które powtarzają się w kolejnych dniach – są to rytmy dobowe. Na rytmy dobowe wpływają rytmy egzogenne i endogenne.
Rytm dobowy jest kontrolowany przez melatoninę, która jest jednym z głównych hormonów wytwarzanych w mózgu.Wywołuje także senność. Receptory melanopsyny ustawiają fazę dobową na niebieskie światło po przebudzeniu, blokując produkcję melatoniny. Wieczorem ekspozycja na te same niebieskie długości fal światła zakłóca sen i zakłóca rytm dobowy. Desynchronizacja dobowa zapobiega pełne wchodzenie w różne fazy snu, co jest krytycznym momentem regeneracyjnym dla ludzkiego organizmu. Co więcej, wpływ zakłóceń dobowych wykracza poza uważność w ciągu dnia i sen w nocy.
Rytmy biologiczne u ludzi można zwykle mierzyć na kilka sposobów: cykl snu/czuwania, głęboką temperaturę ciała, stężenie melatoniny, stężenie kortyzolu i stężenie alfa amylazy8. Jednak światło jest głównym synchronizatorem rytmów dobowych z lokalną pozycją na Ziemi, ponieważ intensywność światła, rozkład widma, czas i czas trwania mogą wpływać na ludzki układ dobowy. Ma to również wpływ na wewnętrzny zegar dobowy.Czas ekspozycji na światło może przyspieszyć lub opóźnić wewnętrzny zegar. Rytmy dobowe będą miały wpływ na wydajność i komfort człowieka itp. Układ dobowy człowieka jest najbardziej wrażliwy na światło o długości fali 460 nm (niebieski obszar widma widzialnego), podczas gdy układ wzrokowy jest najbardziej wrażliwy do 555 nm (obszar zielony). Zatem coraz ważniejsze staje się wykorzystanie przestrajalnego CCT i intensywności do poprawy jakości życia. Można opracować przestrajalne diody LED ze zintegrowanym systemem wykrywania i sterowania, aby spełnić tak wysokie wymagania dotyczące wydajności i zdrowego oświetlenia .
Ryc. 1 Światło ma podwójny wpływ na 24-godzinny profil melatoniny, efekt ostry i efekt przesunięcia fazowego.
Projekt opakowania
Po dostosowaniu jasności konwencjonalnego halogenu
lampy, kolor zostanie zmieniony.Jednak konwencjonalne diody LED nie są w stanie dostroić temperatury barwowej podczas zmiany jasności, emulując tę samą zmianę w przypadku niektórych konwencjonalnych oświetlenia.W dawnych czasach wiele żarówek wykorzystywało diody LED z różnymi diodami LED CCT połączonymi na płytce PCB
zmienić kolor oświetlenia poprzez zmianę prądu sterującego.Wymaga złożonego projektu modułu oświetlenia obwodu do sterowania CCT, co nie jest łatwym zadaniem dla producenta opraw. W miarę postępu projektu oświetlenia, kompaktowe oprawy oświetleniowe, takie jak reflektory punktowe i lampy dolne, wymagają małych rozmiarów modułów LED o dużej gęstości, aby spełniają zarówno wymagania dotyczące dostrajania kolorów, jak i kompaktowych źródeł światła, na rynku pojawiają się przestrajalne kolorowe COB.
Istnieją trzy podstawowe struktury typów dostrajania kolorów. Pierwsza wykorzystuje ciepłe CCT CSP i chłodne wiązanie CCT CsP bezpośrednio na płytce PCB, jak pokazano na rysunku 2. Drugi typ przestrajalny COB z LES wypełnionymi wieloma paskami różnych luminoforów CCT silikony, jak pokazano na rysunku
3. W tej pracy trzecie podejście polega na zmieszaniu ciepłych diod LED CCT CSP z niebieskimi flip-chipami i ściśle lutowiem przymocowanym do podłoża. Następnie dozowana jest biała odblaskowa silikonowa zapora, aby otoczyć ciepłobiałe diody CSP i niebieskie flip-chipy. Na koniec jest wypełniony silikonem zawierającym fosfor, aby uzupełnić dwukolorowy moduł COB, jak pokazano na rys.4.
Ryc. 4 Ciepły kolor CSP i niebieski flipchip COB (Struktura 3 - rozwój ShineOn)
W porównaniu do Struktury 3, Struktura 1 ma trzy wady:
a) mieszanie kolorów pomiędzy różnymi źródłami światła CSP w różnych CCT nie jest jednolite ze względu na segregację silikonu fosforowego spowodowaną chipami źródeł światła CSP;
(b) Źródło światła CSP można łatwo uszkodzić przy fizycznym dotknięciu;
(c) Szczelina każdego źródła światła CSP pozwala łatwo uwięzić kurz, powodując zmniejszenie światła COB;
Structure2 ma również swoje wady:
(a) Trudności w kontroli procesu produkcyjnego i kontroli CIE;
(b) Mieszanie kolorów pomiędzy różnymi sekcjami CCT nie jest jednolite, szczególnie w przypadku wzoru pola bliskiego.
Rysunek 5 porównuje lampy MR 16 zbudowane ze źródła światła o Strukturze 3 (po lewej) i Strukturze 1 (po prawej).Na zdjęciu widać, że Struktura 1 ma jasny odcień w środku obszaru emitującego, podczas gdy rozkład natężenia światła Struktury 3 jest bardziej równomierny.
Aplikacje
W naszym podejściu wykorzystującym Strukturę 3 istnieją dwa różne projekty obwodów do dostrajania koloru światła i jasności.W obwodzie jednokanałowym, który ma proste wymagania dotyczące sterownika, biały ciąg CSP i niebieski łańcuch flip-chip są połączone równolegle. W ciągu CSP znajduje się stały rezystor.Za pomocą rezystora prąd sterujący jest dzielony pomiędzy procesory CSP i niebieskie chipy, co powoduje zmianę koloru i jasności. Szczegółowe wyniki strojenia przedstawiono w tabeli 1 i rysunku 6. Krzywą strojenia kolorów obwodu jednokanałowego pokazano na rysunku 7.CCT wzrasta wraz z prądem sterującym.Zrealizowaliśmy dwa zachowania strojenia, z których jedno emuluje konwencjonalną żarówkę halogenową, a drugie jest bardziej liniowe.Przestrajalny zakres CCT wynosi od 1800 K do 3000 K.
Tabela 1.Zmiana strumienia i CCT wraz z prądem sterującym jednokanałowego modelu COB ShineOn 12SA
Rys.7 Strojenie CCT wraz z krzywą ciała doskonale czarnego z prądem sterującym w jednokanałowym sterowanym obwodem COB(7a) i dwóch
zachowania dostrajania przy względnej luminancji w odniesieniu do lampy halogenowej (7b)
Druga konstrukcja wykorzystuje obwód dwukanałowy, w którym przestrajalny układ CCT jest szerszy niż obwód jednokanałowy. Struna CSP i niebieska struna typu flip-chip są elektrycznie oddzielone na podłożu i dlatego wymagają specjalnego zasilania. Kolor i jasność są dostrajane przez napędzanie dwóch obwodów przy pożądanym poziomie prądu i stosunku.Można go regulować w zakresie od 3000 K do 5700 K, jak pokazano na rysunku 8 dwukanałowego modelu COB ShineOn 20DA. W tabeli 2 przedstawiono szczegółowe wyniki strojenia, które mogą dokładnie symulować zmianę światła dziennego od rana do wieczora. Dzięki połączeniu czujnika obecności i sterowania obwody, to przestrajalne źródło światła pomaga zwiększyć ekspozycję na niebieskie światło w ciągu dnia i zmniejszyć narażenie na niebieskie światło w nocy, promując dobre samopoczucie ludzi i wydajność człowieka, a także inteligentne funkcje oświetleniowe.
Streszczenie
Przestrajalne moduły LED zostały opracowane poprzez połączenie
pakiety chipowe (CSP) i technologia chip on board (COB).CSP i niebieski flip chip są zintegrowane na płycie COB, aby osiągnąć wysoką gęstość mocy i jednolitość kolorów. Struktura dwukanałowa służy do szerszego dostrajania CCT w zastosowaniach takich jak oświetlenie komercyjne.Struktura jednokanałowa służy do uzyskania funkcji przyciemniania do ogrzewania emulującej lampę halogenową w zastosowaniach takich jak dom i hotelarstwo.
978-1-5386-4851-3/17/31,00 USD 02017 IEEE
Potwierdzenie
Autorzy pragną podziękować za finansowanie z Krajowego Kluczowego Badania i Rozwój
Program Chin (nr 2016YFB0403900).Dodatkowo wsparcie współpracowników z ShineOn (Pekin)
Technology Co, również wyrażamy wdzięczność.
Bibliografia
[1] Han, N., Wu, Y.-H.i Tang, Y, „Badanie urządzenia KNX”.
Węzeł i rozwój w oparciu o moduł interfejsu magistrali”, 29. Chińska Konferencja Sterowania (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. i Hong, SH, „Nowa propozycja systemu zarządzania siecią dla BACnet i jego modelu referencyjnego”, 8. Międzynarodowa Konferencja IEEE na temat informatyki przemysłowej (INDIN), 2010, 28-33.
[3] Wohlers I, Andonov R. i Klau GW, „DALIX: Optymalne dopasowanie struktury białka DALI”, IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10, 26-36.
[4] Dominguez, F., Touhafi, A., Tiete, J. i Steen haut, K.,
„Współistnienie z Wi-Fi w produkcie ZigBee automatyki domowej”, 19. sympozjum IEEE na temat komunikacji i technologii pojazdów w krajach Beneluksu (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ, Wu, QX i Huang, YW, „System automatycznego odczytu liczników oparty na komunikacji linii energetycznej LonWorks”, Międzynarodowa konferencja na temat technologii i innowacji (ITIC 2009), 2009, 1-5.
[6] Ellis, EV, Gonzalez, EW i in., „Auto-tuning światła dziennego za pomocą diod LED: zrównoważone oświetlenie dla zdrowia i dobrego samopoczucia”, materiały z wiosennej konferencji badawczej ARCC 2013, marzec 2013 r.
[7] Biała księga Lighting Science Group „Oświetlenie: droga do zdrowia i produktywności”, 25 kwietnia 2016 r.
[8] Figueiro, MG, Bullough, JD i in., „Wstępne dowody na zmianę wrażliwości widmowej układu okołodobowego w nocy”, Journal of Circadian Rhythms 3:14.luty 2005.
[9] Inanici, M, Brennan, M, Clark, E. „Spectral Daylighting
Simulations: Computing Circadian Light”, 14th Conference of International Building Performance Simulation Association, Hyderabad, Indie, grudzień 2015.