Nastavljivi LED moduli, ki temeljijo na CSP-COB
Povzetek: Raziskave so pokazale korelacijo med barvo svetlobnih virov in človeškim cirkadianim ciklom. Prilagajanje barv okoljskim potrebam je postalo vedno bolj pomembno pri visokokakovostnih aplikacijah za razsvetljavo. Popoln spekter svetlobe bi moral imeti lastnosti, ki so najbližje sončni svetlobi z visokim CRI, vendar je idealno prilagojeno človeški občutljivosti.Človeško osredotočeno svetlobo (HCL) je treba oblikovati glede na spreminjajoče se okolje, kot so večnamenski prostori, učilnice, zdravstvena oskrba, ter ustvariti ambient in estetiko.Nastavljivi LED moduli so bili razviti s kombinacijo paketov čipov (CSP) in tehnologije čipov na plošči (COB).CSP-ji so integrirani na ploščo COB za doseganje visoke gostote moči in enakomernosti barv, hkrati pa dodajajo novo funkcijo barvne nastavljivosti. Nastali svetlobni vir je mogoče nenehno nastavljati od svetle, hladnejše obarvane osvetlitve podnevi do zatemnjene, toplejše osvetlitve zvečer, Ta članek podrobno opisuje zasnovo, postopek in delovanje modulov LED ter njihovo uporabo v lučeh LED s toplo zatemnitvijo in visečih lučeh.
Ključne besede:HCL, cirkadiani ritmi, nastavljiva LED, dvojni CCT, toplo zatemnitev, CRI
Uvod
LED, kot ga poznamo, obstaja že več kot 50 let.Nedavni razvoj belih LED diod je tisto, kar je pripeljalo v oči javnosti kot zamenjavo za druge vire bele svetlobe. V primerjavi s tradicionalnimi viri svetlobe, LED ne predstavlja le prednosti varčevanja z energijo in dolge življenjske dobe, ampak tudi odpira vrata nova prilagodljivost zasnove za digitalizacijo in barvno nastavitev. Obstajata dva glavna načina za proizvodnjo belih svetlečih diod (WLED), ki ustvarjajo visoko intenzivno belo svetlobo. Ena je uporaba posameznih LED, ki oddajajo tri osnovne barve – rdečo, zeleno in modro —in nato zmešajte tri barve, da nastane bela svetloba. Drugi je uporaba fosfornih materialov za pretvorbo monokromatične modre ali vijolične LED-svetlobe v belo svetlobo širokega spektra，, podobno kot deluje fluorescentna žarnica. Pomembno je omeniti da je 'belina' proizvedene svetlobe v bistvu zasnovana tako, da ustreza človeškemu očesu, in glede na situacijo morda ni vedno primerno, da jo smatramo kot belo svetlobo.
Pametna razsvetljava je dandanes ključno področje pametne zgradbe in pametnega mesta. Vedno več proizvajalcev sodeluje pri načrtovanju in vgradnji pametne razsvetljave v novogradnjah. Posledica tega je, da je ogromno komunikacijskih vzorcev implementiranih v različne blagovne znamke izdelkov. ，kot je KNx ) BACnetP',DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks itd. Ena kritična težava pri vseh teh izdelkih je, da ne morejo medsebojno delovati (tj. nizka združljivost in razširljivost).
LED-svetilke z zmožnostjo zagotavljanja različnih barv svetlobe so na trgu arhitekturne razsvetljave že od zgodnjih dni polprevodniške razsvetljave (SSL). Čeprav barvno nastavljiva razsvetljava še vedno poteka in zahteva določeno količino domače naloge s strani strokovnjakov specifikator, če naj bo namestitev uspešna.V LED-svetilkah obstajajo tri osnovne kategorije vrst uravnavanja barv: uravnavanje bele, uravnavanje zatemnjene v toplo in uravnavanje polne barve. Vse tri kategorije je mogoče upravljati z brezžičnim oddajnikom z uporabo Zigbee，Wi-Fi, Bluetooth ali drugi protokoli，in so povezani z gradnjo moči. Zaradi teh možnosti LED ponuja možne rešitve za spreminjanje barve ali CCT, da ustrezajo človeškim cirkadianim ritmom.
Cirkadiani ritmi
Rastline in živali kažejo vzorce vedenjskih in fizioloških sprememb v približno 24-urnem ciklu, ki se ponavljajo v zaporednih dneh – to so cirkadiani ritmi. Na cirkadiane ritme vplivajo eksogeni in endogeni ritmi.
Cirkadiani ritem nadzira melatonin, eden glavnih hormonov, ki nastaja v možganih.Povzroča tudi zaspanost. Receptorji melanopsina nastavijo cirkadiano fazo z modro svetlobo, ko se zbudijo, tako da zaustavijo proizvodnjo melatonina.« Izpostavljenost enakim modrim valovnim dolžinam svetlobe zvečer bo motila spanje in motila cirkadiani ritem. Cirkadiana desinhronizacija preprečuje telesu, da bi popoln vstop v različne faze spanja，kar je kritičen obnovitveni čas za človeško telo. Poleg tega，vpliv cirkadianih motenj presega pozornost podnevi in spanje ponoči.
O bioloških ritmih pri ljudeh je običajno mogoče meriti na več načinov, cikel spanja/budnosti, jedrna telesna temperatura, koncentracija melatona, koncentracija kortizola in koncentracija alfa amilaze8. Toda svetloba je primarni sinhronizator cirkadianih ritmov z lokalnim položajem na zemlji, ker intenzivnost svetlobe, porazdelitev spektra, čas in trajanje lahko vplivajo na človeški cirkadiani sistem. To vpliva tudi na dnevno notranjo uro.Čas izpostavljenosti svetlobi lahko pospeši ali zakasni notranjo uro. Cirkadijski ritmi bodo vplivali na človekovo zmogljivost in udobje itd. Človeški cirkadiani sistem je najbolj občutljiv na svetlobo pri 460 nm (modro območje vidnega spektra), medtem ko je vidni sistem najbolj občutljiv. na 555 nm (zeleno območje). Torej postaja vedno bolj pomembno, kako uporabiti nastavljivo CCT in intenzivnost za izboljšanje kakovosti življenja. Barvno nastavljive LED diode z integriranim sistemom zaznavanja in nadzora je mogoče razviti za izpolnjevanje tako visoko zmogljivih in zdravih zahtev glede osvetlitve .
Slika 1 Svetloba ima dvojni učinek na 24-urni profil melatonina, akutni učinek in učinek faznega premika.
Oblikovanje paketa
Ko prilagodite svetlost običajnega halogena
svetilke, se bo barva spremenila.Vendar pa konvencionalna LED ne more prilagoditi barvne temperature med spreminjanjem svetlosti, kar posnema enako spremembo nekaterih običajnih osvetlitev.V prejšnjih dneh bo veliko žarnic uporabljalo led z različnimi CCT LED, združenimi na tiskanem vezju
spremenite barvo osvetlitve s spreminjanjem pogonskega toka.Potrebuje kompleksno zasnovo svetlobnega modula za nadzor CCT, kar za proizvajalca svetilk ni lahka naloga. Z napredovanjem zasnove razsvetljave kompaktna svetila, kot so reflektorji in dolžinske luči, potrebujejo majhne module LED z visoko gostoto, da bi lahko izpolnjujejo tako zahteve glede uravnavanja barv kot kompaktnega svetlobnega vira, se na trgu pojavljajo nastavljivi barvni COB.
Obstajajo tri osnovne strukture vrst barvnega uravnavanja, prva uporablja toplo CCT CSP in hladno CCT CsP vezavo neposredno na ploščo tiskanega vezja, kot je prikazano na sliki 2. Druga vrsta nastavljivega COB z LES, napolnjeno z več črtami različnih fosforjev CCT silikona, ki je prikazan na sliki
3. Pri tem delu uporabljamo tretji pristop z mešanjem toplih CCT CSP LED z modrimi preklopnimi čipi in tesno spajkanjem na substrat. Nato se razdeli bel odsevni silikonski jez, ki obda toplobele CSP in modre preklopne čipe. Končno je napolnjen s silikonom, ki vsebuje fosfor, da dokonča dvobarvni modul COB, kot je prikazano na sliki 4.
Slika 4 CSP tople barve in modri preklopni čip COB (Struktura 3 – razvoj ShineOn)
V primerjavi s strukturo 3 ima struktura 1 tri slabosti:
(a) Mešanje barv med različnimi svetlobnimi viri CSP v različnih CCT ni enakomerno zaradi ločevanja fosfornega silikona, ki ga povzročajo čipi svetlobnih virov CSP;
(b) svetlobni vir CSP se zlahka poškoduje s fizičnim dotikom;
(c) Vrzel vsakega svetlobnega vira CSP zlahka ujame prah, da povzroči zmanjšanje lumna COB;
Struktura2 ima tudi svoje slabosti:
(a) Težave pri nadzoru proizvodnega procesa in nadzoru CIE;
(b) Mešanje barv med različnimi odseki CCT ni enotno, zlasti za vzorec bližnjega polja.
Slika 5 primerja sijalke MR 16, izdelane s svetlobnim virom strukture 3 (levo) in strukture 1 (desno).Na sliki lahko ugotovimo, da ima Struktura 1 svetlo senco v središču oddajnega območja, medtem ko je porazdelitev svetlobne jakosti Strukture 3 bolj enakomerna.
Aplikacije
Pri našem pristopu, ki uporablja strukturo 3, obstajata dve različni zasnovi vezja za nastavitev barve svetlobe in svetlosti.V enokanalnem vezju, ki ima preprosto zahtevo gonilnika, sta beli niz CSP in modri niz preklopnega čipa povezana vzporedno. V nizu CSP je fiksen upor.Z uporom se pogonski tok razdeli med CSP in modre čipe, kar povzroči spremembo barve in svetlosti. Podrobni rezultati uravnavanja so prikazani v tabeli 1 in sliki 6. Krivulja uravnavanja barve enokanalnega vezja je prikazana na sliki 7.CCT poveča kot pogonski tok.Realizirali smo dve nastavitvi, pri čemer ena posnema običajni pas halogenske žarnice, druga pa bolj linearno.Nastavljivo območje CCT je od 1800K do 3000K.
Tabela1.Pretok in CCT se spreminjata z pogonskim tokom ShineOn enokanalnega COB modela 12SA
Slika 7 Uglaševanje CCT skupaj s krivuljo črnega telesa z pogonskim tokom v enokanalnem vezju krmiljenega COB (7a) in obeh
prilagajanje obnašanja z relativno svetilnostjo glede na halogensko žarnico (7b)
Druga zasnova uporablja dvokanalno vezje, kjer je nastavljiva razporeditev CCT širša od enokanalnega vezja. CSP niz in modri flip-chip niz sta električno ločena na substratu, zato potrebujeta posebno napajanje. Barvo in svetlost prilagodita poganjanje obeh tokokrogov na želeni tokovni ravni in razmerju.Nastavite ga lahko od 3000k do 5700Kas, kot je prikazano na sliki 8 ShineOn dvokanalnega COB modela 20DA. V tabeli 2 je naveden podroben rezultat nastavitve, ki lahko natančno simulira spremembo dnevne svetlobe od jutra do večera. S kombinacijo uporabe senzorja zasedenosti in nadzora vezja，ta nastavljiv vir svetlobe pomaga povečati izpostavljenost modri svetlobi podnevi in zmanjšati izpostavljenost modri svetlobi ponoči，spodbuja dobro počutje ljudi in človeško učinkovitost ter funkcije pametne osvetlitve.
Povzetek
Nastavljivi LED moduli so bili razviti s kombiniranjem
chip scale packages (CSP) in tehnologijo chip on board (COB).CSP in modri preklopni čip sta integrirana na ploščo COB za doseganje visoke gostote moči in enakomernosti barv, dvokanalna struktura se uporablja za doseganje širše nastavitve CCT v aplikacijah, kot je komercialna razsvetljava.Enokanalna struktura se uporablja za doseganje funkcije dim-to-warm, ki posnema halogensko žarnico v aplikacijah, kot sta dom in gostinstvo.
978-1-5386-4851-3/17/31,00 USD 02017 IEEE
Priznanje
Avtorji bi se radi zahvalili za financiranje s strani The National Key Research and Development
Program Kitajske (št. 2016YFB0403900).Poleg tega podpora kolegov v ShineOn (Peking)
Technology Co, je tudi hvaležen.
Reference
[1] Han, N., Wu, Y.-H.in Tang, Y, "Raziskava naprav KNX
Vozlišče in razvoj na podlagi vmesniškega modula vodila", 29. kitajska nadzorna konferenca (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. in Hong, SH, "Nov predlog sistema za upravljanje omrežja za BACnet in njegov referenčni model", 8. mednarodna konferenca IEEE o industrijski informatiki (INDIN), 2010, 28-33.
[3]Wohlers I, Andonov R. in Klau GW, »DALIX: Optimalna poravnava beljakovinske strukture DALI«, Transakcije IEEE/ACM o računalniški biologiji in bioinformatiki, 10, 26-36.
[4] Dominguez, F, Touhafi, A., Tiete, J. in Steen haut, K.,
»Sobivanje z WiFi za izdelek ZigBee za avtomatizacijo doma«, 19. simpozij IEEE o komunikacijah in tehnologiji vozil v Beneluksu (SCVT), 2012, 1–6.
[5]Lin, WJ, Wu, QX in Huang, YW, "Sistem samodejnega odčitavanja števcev, ki temelji na komunikaciji po daljnovodu LonWorks", Mednarodna konferenca o tehnologiji in inovacijah (ITIC 2009), 2009, 1-5.
[6] Ellis, EV, Gonzalez, EW, et al, »Auto-tuning Daylight with LEDs: Sustainable Lighting for Health and Wellbeing«, Proceedings of the ARCC Spring Research Conference 2013, marec 2013
[7] Bela knjiga Lighting Science Group, »Lighting: the Way to Health& Productivity«, 25. april 2016.
[8] Figueiro, MG, Bullough, JD, et al, "Preliminarni dokazi za spremembo spektralne občutljivosti cirkadianega sistema ponoči", Journal of Circadian Rhythms 3:14.februar 2005.
[9] Inanici, M, Brennan, M, Clark, E, "Spectral Daylighting"
Simulacije: Računalništvo cirkadiane svetlobe", 14. konferenca mednarodnega združenja za simulacijo učinkovitosti zgradb, Hyderabad, Indija, december 2015.