Регулируеми LED модули, базирани на CSP-COB
Резюме: Изследванията показват връзката между цвета на светлинните източници и човешкия циркаден цикъл. Настройването на цветовете спрямо нуждите на околната среда става все по-важно при висококачествени приложения за осветление. Перфектният спектър на светлината трябва да показва качества, най-близки до слънчевата светлина с висок CRI, но в идеалния случай съобразен с човешката чувствителност.Ориентирана към човека светлина (HCL) трябва да бъде проектирана в съответствие с променящата се среда, като например многофункционални съоръжения, класни стаи, здравни грижи, и за създаване на атмосфера и естетика.Регулируемите светодиодни модули са разработени чрез комбиниране на пакети за мащабиране на чипове (CSP) и технология на чип на борда (COB).CSP са интегрирани в COB платка за постигане на висока плътност на мощността и еднородност на цветовете, като същевременно се добавя нова функция за настройка на цветовете. Полученият източник на светлина може непрекъснато да се настройва от ярко, по-студено оцветено осветление през деня до по-слабо, по-топло осветление вечер, Този документ описва подробно дизайна, процеса и производителността на LED модулите и тяхното приложение в LED светлини с топло затъмняване и висящи лампи.
Ключови думи:HCL, Циркадни ритми, Регулируем LED, Двоен CCT, Топло затъмняване, CRI
Въведение
Светодиодът, както го познаваме, съществува от повече от 50 години.Неотдавнашното развитие на белите светодиоди е това, което ги насочи към общественото внимание като заместител на други източници на бяла светлина. В сравнение с традиционните източници на светлина, LED не само представя предимствата на спестяване на енергия и дълъг живот, но също така отваря вратата към нова гъвкавост на дизайна за дигитализиране и настройка на цветовете. Има два основни начина за производство на бели светодиоди, излъчващи светлина (WLED), които генерират бяла светлина с висок интензитет. Единият е да се използват отделни светодиоди, които излъчват три основни цвята - червено, зелено и синьо — и след това смесете три цвята, за да образувате бяла светлина. Другото е да използвате фосфорни материали за преобразуване на монохромна синя или виолетова LED светлина в бяла светлина с широк спектър, почти по същия начин, по който работи флуоресцентна крушка. Важно е да се отбележи че „белотата“ на произведената светлина по същество е проектирана така, че да отговаря на човешкото око и в зависимост от ситуацията може да не винаги е подходящо да се мисли за нея като за бяла светлина.
Интелигентното осветление е ключова област в интелигентната сграда и интелигентния град в наши дни. Все по-голям брой производители участват в проектирането и инсталирането на интелигентно осветление в нови конструкции. Последствието е, че огромно количество комуникационни модели се прилагат в различни марки продукти ，като KNx ) BACnetP',DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks и т.н. Един критичен проблем във всички тези продукти е, че те не могат да взаимодействат един с друг (т.е. ниска съвместимост и разширяемост).
LED осветителни тела с възможност за доставяне на различен цвят на светлината са на пазара за архитектурно осветление от ранните дни на твърдото осветление (SSL). Въпреки това осветлението с регулируем цвят остава в процес на работа и изисква известно количество домашна работа от спецификатор, ако инсталацията трябва да бъде успешна.Има три основни категории типове настройка на цветовете в LED осветителните тела: настройка на бяло, настройка от затъмнен към топъл цвят и настройка на пълен цвят. Всичките три категории могат да се управляват от безжичен предавател чрез Zigbee，Wi-Fi,Bluetooth или други протоколи，и са свързани към изграждане на мощност. Поради тези опции LED предоставя възможни решения за промяна на цвета или CCT, за да отговори на човешките циркадни ритми.
Циркадните ритми
Растенията и животните проявяват модели на поведенчески и физиологични промени в рамките на приблизително 24-часов цикъл, който се повтаря през последователни дни - това са циркадни ритми. Циркадните ритми се влияят от екзогенни и ендогенни ритми.
Циркадният ритъм се контролира от мелатонин, който е един от основните хормони, произвеждани в мозъка.И също така предизвиква сънливост. Рецепторите на меланопсина задават циркадната фаза със синя светлина при събуждане, като спират производството на мелатонин. Излагането на същите сини дължини на вълната на светлината вечер ще попречи на съня и ще наруши циркадния ритъм. Циркадната десинхронизация пречи на тялото да пълно навлизане в различните фази на съня, което е критично време за възстановяване на човешкото тяло. Освен това, въздействието на циркадните смущения се простира отвъд вниманието през деня и съня през нощта.
Относно биологичните ритми при хората обикновено могат да бъдат измерени по няколко начина, цикъл на сън/бодърстване, основна телесна температура, концентрация на мелатонин, концентрация на кортизол и концентрация на алфа амилаза8. Но светлината е основният синхронизатор на циркадните ритми спрямо местната позиция на земята, тъй като интензитетът на светлината, разпределението на спектъра, времето и продължителността могат да повлияят на човешката циркадна система. Това също засяга ежедневния вътрешен часовник.Времето на излагане на светлина може или да изпревари, или да забави вътрешния часовник". Циркадните ритми ще повлияят на производителността и комфорта на човека и т.н. Човешката циркадна система е най-чувствителна към светлина при 460nm (синя област на видимия спектър), докато зрителната система е най-чувствителна до 555nm (зелена област).Така че как да използвате регулируемите CCT и интензитета за подобряване на качеството на живот става все по-важно.Могат да бъдат разработени цветни регулируеми светодиоди с интегрирана сензорна и контролна система, за да отговарят на такива изисквания за висока производителност и здравословно осветление .
Фигура 1. Светлината има двоен ефект върху 24-часовия профил на мелатонин, остър ефект и ефект на изместване на фазата.
Дизайн на опаковката
Когато регулирате яркостта на конвенционалния халоген
лампа, цветът ще се промени.Обаче конвенционалният светодиод не е в състояние да настрои цветовата температура, докато променя яркостта, като емулира същата промяна на някои конвенционални светлини.В по-ранните дни много крушки ще използват светодиоди с различни CCT светодиоди, комбинирани на печатната платка
променете цвета на осветлението чрез промяна на задвижващия ток.Нуждае се от сложна схема на осветителен модул, за да контролира CCT, което не е лесна задача за производителя на осветителни тела. С напредването на дизайна на осветлението, компактното осветително тяло, като спотове и долни светлини, изисква LED модули с малък размер и висока плътност, за да задоволяват изискванията както за настройка на цветовете, така и за компактен източник на светлина, на пазара се появяват регулируеми цветни COB.
Има три основни структури на типове настройка на цветовете, като първата използва топло CCT CSP и хладно CCT CsP свързване директно върху печатната платка, както е показано на фигура 2. Вторият тип регулируем COB с LES, изпълнен с множество ивици от различен CCT фосфор силикони, показани на фигура
3. В тази работа се използва трети подход чрез смесване на топли CCT CSP светодиоди със сини флип-чипове и плътно запоени върху субстрат. След това се разпределя бял отразяващ силиконов бент, за да обгради топлите бели CSP и сините флип-чипове. , той е пълен със силикон, съдържащ фосфор, за да завърши двуцветния COB модул, както е показано на фиг.4.
Фиг.4 Топъл цвят CSP и син флип чип COB (Структура 3- разработка ShineOn)
В сравнение със структура 3, структура 1 има три недостатъка:
(a) Смесването на цветовете между различните източници на светлина CSP в различни CCT не е еднакво поради сегрегацията на фосфорния силикон, причинена от чиповете на източниците на светлина CSP;
(b) източникът на светлина CSP се поврежда лесно с физическо докосване;
(c) Пролуката на всеки източник на светлина CSP е лесна за улавяне на праха, за да причини намаляване на лумена на COB;
Structure2 също има своите недостатъци:
(a) Трудности при контрола на производствения процес и CIE контрола;
( b ) Смесването на цветовете между различните секции на CCT не е еднакво, особено за модела на близкото поле.
Фигура 5 сравнява лампи MR 16, изградени със светлинен източник от структура 3 (вляво) и структура 1 (вдясно).От снимката можем да открием, че структура 1 има светъл нюанс в центъра на излъчващата зона, докато разпределението на интензитета на светлината на структура 3 е по-равномерно.
Приложения
В нашия подход, използващ структура 3, има два различни дизайна на веригата за настройка на цвета на светлината и яркостта.В едноканална верига, която има просто изискване за драйвер, бялата CSP струна и синята струна с флип-чип са свързани паралелно. В CSP струната има фиксиран резистор.С резистора управляващият ток се разделя между CSP и сините чипове, което води до промяна на цвета и яркостта. Подробните резултати от настройката са показани в таблица 1 и фигура 6. Кривата на настройка на цвета на едноканална верига е показана на фигура 7.CCT увеличава като задвижващия ток.Реализирахме две поведения за настройка, като едната емулира конвенционалната халогенна крушка, а другата е по-линейна настройка.Регулируемият диапазон на CCT е от 1800K до 3000K.
Маса 1.Потокът и CCT се променят със задвижващ ток на ShineOn едноканален COB модел 12SA
Фиг.7CCT настройка заедно с кривата на черното тяло с управляващ ток в едноканалната верига, контролирана COB(7a) и двете
поведение на настройка с относителна яркост по отношение на халогенна лампа (7b)
Другият дизайн използва двуканална верига, където регулируемата CCT схема е по-широка от едноканалната верига. CSP струната и синята флип-чип струна са електрически разделени на субстрата и следователно изисква специално захранване. Цветът и яркостта се настройват от задвижване на двете вериги на желаното ниво и съотношение на тока.Може да се настрои от 3000k до 5700Kas, показано на Фигура 8 на ShineOn двуканален COB модел 20DA. Таблица 2 изброява подробния резултат от настройката, който може да симулира отблизо промяната на дневната светлина от сутрин към вечер. Чрез комбиниране на използването на сензор за заетост и управление вериги, този регулируем светлинен източник помага да се увеличи излагането на синя светлина през деня и да се намали излагането на синя светлина през нощта, насърчавайки благосъстоянието на хората и човешкото представяне, както и интелигентни функции за осветление.
Резюме
Регулируемите LED модули са разработени чрез комбиниране
chip scale packages (CSP) и chip on board (COB) технология.CSP и син флип чип са интегрирани в COB платка за постигане на висока плътност на мощността и еднородност на цветовете, двуканалната структура се използва за постигане на по-широка CCT настройка в приложения като търговско осветление.Едноканалната структура се използва за постигане на функция от затъмняване към затопляне, емулираща халогенна лампа в приложения като дома и гостоприемството.
978-1-5386-4851-3/17/$31,00 02017 IEEE
Признание
Авторите биха искали да признаят финансирането от The National Key Research and Development
Програма на Китай (№ 2016YFB0403900).Освен това подкрепа от колегите в ShineOn (Пекин)
Technology Co, също е призната с благодарност.
Препратки
[1] Han, N., Wu, Y.-H.и Tang, Y, „Изследване на KNX устройство
Възел и разработка на базата на модула за интерфейс на шина", 29-та китайска контролна конференция (CCC), 2010 г., 4346 -4350.
[2] Park, T. и Hong, SH, „Ново предложение за система за управление на мрежата за BACnet и нейния референтен модел“, 8-ма международна конференция на IEEE по индустриална информатика (INDIN), 2010 г., 28-33.
[3] Wohlers I, Andonov R. и Klau GW, „DALIX: Optimal DALI Protein Structure Alignment“, IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10, 26-36.
[4] Домингес, Ф., Тухафи, А., Тиете, Дж. и Стийн хаут, К.,
„Съвместно съществуване с WiFi за продукт ZigBee за домашна автоматизация“, IEEE 19-ти симпозиум по комуникации и технологии за превозни средства в Бенелюкс (SCVT), 2012 г., 1-6.
[5]Lin, WJ, Wu, QX и Huang, YW, „Система за автоматично отчитане на измервателния уред, базирана на комуникация по електропроводи на LonWorks“, Международна конференция за технологии и иновации (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 2013 ARCC Spring Research Conference, март 2013 г.
[7] Бяла книга на Lighting Science Group, „Осветление: пътят към здравето и продуктивността“, 25 април 2016 г.
[8] Figueiro, MG, Bullough, JD, et al, „Предварителни доказателства за промяна в спектралната чувствителност на циркадната система през нощта“, Journal of Circadian Rhythms 3:14.февруари 2005 г.
[9]Инаничи, М, Бренън, М, Кларк, Е, „Спектрална дневна светлина“
Симулации: Изчисляване на циркадната светлина", 14-та конференция на Международната асоциация за симулация на ефективността на сградите, Хайдерабад, Индия, декември 2015 г.