Регульовані світлодіодні модулі на основі CSP-COB
Анотація: Дослідження вказали на кореляцію між кольором джерел світла та циркадним циклом людини. Налаштування кольору відповідно до потреб навколишнього середовища стає все більш важливим у високоякісних системах освітлення. Ідеальний спектр світла має бути максимально наближеним до сонячного світла з високим CRI, але в ідеалі налаштована на людську чутливість.Орієнтоване на людину світло (HCL) має бути сконструйовано відповідно до змін середовища, наприклад багатофункціональних приміщень, класних кімнат, охорони здоров’я, а також для створення атмосфери та естетики.Регульовані світлодіодні модулі були розроблені шляхом поєднання пакетів масштабування чіпів (CSP) і технології чіпів на платі (COB).CSP інтегровані на плату COB для досягнення високої щільності потужності та рівномірності кольору, додаючи при цьому нову функцію налаштування кольору. Результуюче джерело світла можна безперервно налаштовувати від яскравого, холоднішого освітлення протягом дня до тьмянішого, більш теплого освітлення ввечері, У цьому документі детально описано конструкцію, процес і продуктивність світлодіодних модулів, а також їх застосування в світлодіодних світильниках із теплим затемненням і підвісних світильниках.
Ключові слова:HCL, циркадні ритми, регульований світлодіод, подвійний CCT, тепле затемнення, CRI
вступ
Світлодіод, яким ми його знаємо, існує вже понад 50 років.Нещодавня розробка білих світлодіодів – це те, що привернуло увагу громадськості як заміну іншим джерелам білого світла. Порівняно з традиційними джерелами світла, світлодіоди не лише представляють переваги енергозбереження та тривалого терміну служби, але також відкривають двері для нова гнучкість конструкції для оцифровки та налаштування кольорів. Існує два основні способи виробництва білих світлодіодів (WLED), які генерують біле світло високої інтенсивності. Один полягає у використанні окремих світлодіодів, які випромінюють три основні кольори — червоний, зелений і синій — а потім змішайте три кольори, щоб утворити біле світло. Інший — використання люмінофорних матеріалів для перетворення монохроматичного синього або фіолетового світлодіодного світла на біле світло широкого спектру, приблизно так само, як працює люмінесцентна лампочка. Важливо зазначити що «білість» виробленого світла, по суті, створена так, щоб відповідати людському оку, і залежно від ситуації не завжди доцільно вважати його білим світлом.
Розумне освітлення сьогодні є ключовою сферою розумних будівель і розумних міст. Все більше виробників беруть участь у проектуванні та встановленні розумних освітлювальних приладів у нових будівлях. Наслідком цього є те, що величезна кількість шаблонів зв’язку реалізується в продуктах різних марок. ，таких як KNx ) BACnetP',DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks тощо. Однією з критичних проблем у всіх цих продуктах є те, що вони не можуть взаємодіяти один з одним (тобто низька сумісність і розширюваність).
Світлодіодні світильники зі здатністю відтворювати світло різного кольору з’явилися на ринку архітектурного освітлення з перших днів твердотільного освітлення (SSL). Хоча освітлення з можливістю налаштування кольору залишається в стадії розробки та вимагає певної домашньої роботи від спеціалістів. специфікатор, якщо встановлення має бути успішним.Існує три основні категорії типів налаштування кольорів у світлодіодних світильниках: налаштування білого, від затемнення до теплого та повне налаштування кольорів. Усіма трьома категоріями можна керувати за допомогою бездротового передавача за допомогою Zigbee，Wi-Fi,Bluetooth або інші протоколи，і жорстко підключені до джерела живлення. Завдяки цим параметрам LED надає можливі рішення для зміни кольору або CCT відповідно до циркадних ритмів людини.
Циркадні ритми
Рослини та тварини демонструють моделі поведінкових і фізіологічних змін протягом приблизно 24-годинного циклу, які повторюються протягом послідовних днів – це циркадні ритми. На циркадні ритми впливають екзогенні та ендогенні ритми.
Циркадний ритм контролюється мелатоніном, який є одним з основних гормонів, що виробляються в мозку.Це також викликає сонливість. Рецептори меланопсину встановлюють циркадіанну фазу синім світлом після пробудження, припиняючи вироблення мелатоніну». Вплив тих самих блакитних хвиль світла ввечері заважає сну та порушує циркадний ритм. Циркадна десинхронізація заважає організму повне входження в різні фази сну, що є критично важливим періодом відновлення для людського організму. Крім того, вплив порушень циркадного календаря виходить за межі уважності вдень і сну вночі.
Біологічні ритми людини зазвичай можна виміряти декількома способами: цикл сну/неспання, основна температура тіла, концентрація мелатону, концентрація кортизолу та концентрація альфа-амілази8. Але світло є основним синхронізатором циркадних ритмів із місцевим положенням на землі, тому що Інтенсивність світла, розподіл спектру, час і тривалість можуть впливати на циркадіанну систему людини. Це також впливає на щоденний внутрішній годинник.Час впливу світла може або збільшувати, або затримувати внутрішній годинник». Циркадні ритми впливатимуть на продуктивність і комфорт людини тощо. Циркадна система людини найбільш чутлива до світла при 460 нм (синя область видимого спектру), тоді як зорова система є найбільш чутливою. до 555 нм (зелена область). Отже, як використовувати регульовану CCT та інтенсивність для покращення якості життя стає все більш важливим. Регульовані за кольором світлодіоди з інтегрованою системою сприйняття та контролю можуть бути розроблені, щоб відповідати вимогам високої ефективності, здорового освітлення .
Рис.1 Світло має подвійний вплив на 24-годинний профіль мелатоніну: гострий ефект і ефект зсуву фази.
Дизайн упаковки
При регулюванні яскравості звичайні галогенки
лампи, колір буде змінено.Однак звичайний світлодіод не може регулювати колірну температуру під час зміни яскравості, імітуючи ту саму зміну звичайного освітлення.Раніше багато лампочок використовували світлодіоди з різними світлодіодами CCT, поєднаними на друкованій платі
змінити колір освітлення, змінюючи струм руху.Їй потрібна складна схема світлового модуля для керування CCT, що є нелегким завданням для виробника світильників. У міру розвитку дизайну освітлення компактні освітлювальні прилади, такі як точкові світильники та ліхтарі, вимагають невеликих світлодіодних модулів високої щільності, щоб задовольняють вимоги як до налаштування кольору, так і до компактного джерела світла, на ринку з’являються регульовані кольори COB.
Існують три основні структури типів налаштування кольору: перший використовує теплий CCT CSP і холодний CCT CsP з’єднання безпосередньо на друкованій платі, як показано на малюнку 2. Другий тип регульованого COB з LES, заповненим декількома смугами різного люмінофора CCT силікони, як показано на малюнку
3. У цій роботі використовується третій підхід шляхом змішування теплих світлодіодів CCT CSP із синіми перекидними мікросхемами та щільного припаювання до підкладки. Потім наноситься білий світловідбиваючий силіконовий шар, щоб оточити тепло-білі CSP та сині перекидні мікросхеми. , він наповнений силіконом, що містить фосфор, щоб завершити двокольоровий модуль COB, як показано на мал. 4.
Рис.4 Теплий колір CSP і блакитний фліп-чіп COB (структура 3 - розробка ShineOn)
Порівняно зі структурою 3, структура 1 має три недоліки:
(a) Змішування кольорів між різними джерелами світла CSP у різних CCT не є рівномірним через сегрегацію люмінофорного силікону, викликану мікросхемами джерел світла CSP;
(b) джерело світла CSP легко пошкодити фізичним дотиком;
(c) Проміжок кожного джерела світла CSP легко захопити пил, щоб спричинити зменшення просвіту COB;
Structure2 також має свої недоліки:
(a) Труднощі в контролі виробничого процесу та контролі CIE;
(b) Змішування кольорів між різними ділянками CCT не є рівномірним, особливо для візерунка ближнього поля.
На рисунку 5 порівнюються лампи MR 16, побудовані з джерелом світла структури 3 (ліворуч) і структури 1 (праворуч).На зображенні ми бачимо, що структура 1 має світлий відтінок у центрі випромінюючої області, тоді як розподіл інтенсивності світла структури 3 більш рівномірний.
Додатки
У нашому підході з використанням структури 3 є дві різні схеми для налаштування кольору світла та яскравості.В одноканальній схемі, яка має прості вимоги до драйвера, білий рядок CSP і синій рядок фліп-чіпа з’єднані паралельно. У рядку CSP є фіксований резистор.За допомогою резистора керуючий струм розподіляється між CSP і блакитними мікросхемами, що призводить до зміни кольору та яскравості. Детальні результати налаштування наведено в таблиці 1 і малюнку 6. Криву налаштування кольору одноканальної схеми показано на малюнку 7.CCT збільшується як струм руху.Ми реалізували дві поведінки налаштування: одна імітує звичайну галогенну лампочку, а інша – більш лінійну.Регульований діапазон CCT становить від 1800K до 3000K.
Таблиця1.Потік і CCT змінюються залежно від струму руху ShineOn одноканального COB моделі 12SA
Рис. 7. Налаштування CCT разом із кривою абсолютно чорного тіла за допомогою керуючого струму в одноканальному контурі COB (7a) і двох
налаштування поведінки з відносною яскравістю відносно галогенної лампи (7b)
В іншій конструкції використовується двоканальна схема, де регульований діапазон CCT є ширшим, ніж одноканальна схема. Струна CSP і синя струна фліп-чіпа електрично розділені на підкладці, тому для них потрібне спеціальне джерело живлення. Колір і яскравість налаштовуються за допомогою керуючи двома ланцюгами на бажаному рівні струму та співвідношенні.Його можна налаштувати від 3000k до 5700Kas, як показано на малюнку 8 двоканальної моделі ShineOn COB 20DA. У таблиці 2 наведено детальний результат налаштування, який може точно імітувати зміну денного освітлення з ранку до вечора. Завдяки поєднанню використання датчика присутності та контролю схеми， це регульоване джерело світла допомагає збільшити вплив синього світла вдень і зменшити вплив синього світла вночі， сприяючи добробуту людей і продуктивності людини, а також розумним функціям освітлення.
Резюме
Регульовані світлодіодні модулі були розроблені шляхом комбінування
технологія chip scale packages (CSP) і chip on board (COB).CSP і blue flip chip інтегровані на плату COB для досягнення високої щільності потужності та рівномірності кольору, двоканальна структура використовується для досягнення ширшого налаштування CCT у таких додатках, як комерційне освітлення.Одноканальна структура використовується для досягнення функції від затемнення до тепла, що імітує галогенну лампу в таких додатках, як будинок і гостинність.
978-1-5386-4851-3/17/$31,00 02017 IEEE
Подяка
Автори висловлюють подяку за фінансування від The National Key Research and Development
Програма Китаю (№ 2016YFB0403900).Крім того, підтримка колег в ShineOn (Пекін)
Technology Co також висловлює подяку.
Список літератури
[1] Хан, Н., Ву, Ю.-Х.і Танг Ю. Дослідження пристроїв KNX
Вузол і розробка на основі модуля інтерфейсу шини», 29-та Китайська контрольна конференція (CCC), 2010, 4346-4350.
[2] Парк, Т. та Хонг, Ш., «Нова пропозиція системи керування мережею для BACnet та її еталонної моделі», 8-а міжнародна конференція IEEE з промислової інформатики (INDIN), 2010, 28-33.
[3] Wohlers I, Andonov R. and Klau GW, "DALIX: Optimal DALI Protein Structure Alignment", IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10, 26-36.
[4] Домінгес, Ф., Тухафі, А., Тієт, Дж. і Стін Хаут, К.,
«Співіснування з WiFi для продукту ZigBee для домашньої автоматизації», 19-й симпозіум IEEE з комунікацій і транспортних технологій у Бенілюксі (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ, Wu, QX та Huang, YW, "Система автоматичного зчитування лічильників на основі зв'язку по лінії електропередач LonWorks", Міжнародна конференція з технологій та інновацій (ITIC 2009), 2009, 1-5.
[6] Елліс, Е. В., Гонсалес, Е. В. та ін., «Автоналаштування денного світла зі світлодіодами: стале освітлення для здоров’я та добробуту», матеріали весняної дослідницької конференції ARCC 2013 р., березень 2013 р.
[7] Біла книга Lighting Science Group «Освітлення: шлях до здоров’я та продуктивності», 25 квітня 2016 р.
[8] Figueiro, MG, Bullough, JD та інші, «Попередні докази зміни спектральної чутливості циркадної системи вночі», Journal of Circadian Rhythms 3:14.Лютий 2005 року.
[9] Інанічі, М, Бреннан, М, Кларк, Е, "Спектральне денне освітлення"
Симуляції: обчислення циркадного світла", 14-та конференція Міжнародної асоціації симуляторів ефективності будівель, Хайдарабад, Індія, грудень 2015 р.