Настраиваемые светодиодные модули на базе CSP-COB
Абстрактный: Исследования показали корреляцию между цветом источников света и циркадным циклом человека. Настройка цвета в соответствии с потребностями окружающей среды становится все более важной в приложениях высококачественного освещения. Идеальный спектр света должен проявлять качества, наиболее близкие к солнечному свету, с высоким индексом цветопередачи, но в идеале настроен на человеческую чувствительность.Свет, ориентированный на человека (HCL), должен быть спроектирован в соответствии с изменяющейся средой, такой как многофункциональные помещения, классы, учреждения здравоохранения, а также для создания атмосферы и эстетики.Настраиваемые светодиодные модули были разработаны путем объединения корпусов микросхем (CSP) и технологии «чип на плате» (COB).CSP интегрированы в плату COB для достижения высокой плотности мощности и однородности цвета, а также добавления новой функции настройки цвета. Полученный источник света можно непрерывно настраивать от яркого, более прохладного освещения в течение дня до более тусклого и теплого освещения вечером, В этом документе подробно описаны конструкция, процесс и характеристики светодиодных модулей, а также их применение в светодиодных направленных вниз и подвесных светильниках с теплым затемнением.
Ключевые слова:HCL, циркадные ритмы, настраиваемый светодиод, двойной CCT, теплое затемнение, CRI
Введение
Светодиод в том виде, в каком мы его знаем, существует уже более 50 лет.Недавняя разработка белых светодиодов привлекла внимание общественности к ним как к замене других источников белого света. По сравнению с традиционными источниками света, светодиоды не только обладают преимуществами энергосбережения и длительного срока службы, но и открывают двери для новая гибкость дизайна для оцифровки и настройки цвета. Существует два основных способа производства белых светодиодов (WLED), которые генерируют белый свет высокой интенсивности. Один из них — использование отдельных светодиодов, излучающих три основных цвета — красный, зеленый и синий. — а затем смешать три цвета, чтобы получить белый свет. Другой способ — использовать люминофорные материалы для преобразования монохроматического синего или фиолетового светодиодного света в белый свет широкого спектра, почти так же, как работает люминесцентная лампочка. Важно отметить что «белизна» излучаемого света по существу спроектирована так, чтобы соответствовать человеческому глазу, и в зависимости от ситуации не всегда уместно думать о нем как о белом свете.
В настоящее время интеллектуальное освещение является ключевой областью в умном здании и умном городе. Все большее число производителей принимают участие в проектировании и установке интеллектуального освещения в новых зданиях. Следствием этого является то, что огромное количество коммуникационных шаблонов реализовано в продуктах разных марок. ，такие как KNx), BACnetP', DALI, ZigBee-ZHAZBA', PLC-Lonworks и т. д. Одной из критических проблем всех этих продуктов является то, что они не могут взаимодействовать друг с другом (т.е. низкая совместимость и расширяемость).
Светодиодные светильники, способные излучать свет разного цвета, присутствуют на рынке архитектурного освещения с первых дней существования твердотельного освещения (SSL). указатель, будет ли установка успешной.Существует три основные категории типов настройки цвета в светодиодных светильниках: настройка белого цвета, настройка тусклого до теплого и полноцветная настройка. Всеми тремя категориями можно управлять с помощью беспроводного передатчика с использованием Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth или Другие протоколы，и жестко запрограммированы на увеличение мощности. Благодаря этим опциям светодиод предлагает возможные решения для изменения цвета или CCT в соответствии с циркадными ритмами человека.
Циркадные ритмы
Растения и животные демонстрируют закономерности поведенческих и физиологических изменений в течение примерно 24-часового цикла, которые повторяются в течение последовательных дней — это циркадные ритмы. На циркадные ритмы влияют экзогенные и эндогенные ритмы.
Циркадный ритм контролируется мелатонином, который является одним из основных гормонов, вырабатываемых в мозге.И это также вызывает сонливость. Рецепторы меланопсина устанавливают циркадную фазу с синим светом после пробуждения, отключая выработку мелатонина. Воздействие тех же длин волн синего света вечером будет мешать сну и нарушить циркадный ритм. Циркадная десинхронизация предотвращает полностью вступая в различные фазы сна, что является критическим периодом восстановления для человеческого организма. Более того, влияние циркадных нарушений выходит за рамки осознанности в течение дня и ночного сна.
Биологические ритмы у людей обычно можно измерить несколькими способами: цикл сна/бодрствования, внутреннюю температуру тела, концентрацию мелатонина, концентрацию кортизола и концентрацию альфа-амилазы8. Но свет является основным синхронизатором циркадных ритмов с местным положением на Земле, потому что Интенсивность света, распределение спектра, время и продолжительность могут влиять на циркадную систему человека. Это также влияет на ежедневные внутренние часы.Время воздействия света может опережать или задерживать внутренние часы. Циркадные ритмы влияют на работоспособность человека, его комфорт и т. д. Циркадная система человека наиболее чувствительна к свету с длиной волны 460 нм (синяя область видимого спектра), тогда как зрительная система наиболее чувствительна. до 555 нм (зеленая область).Таким образом, как использовать настраиваемую CCT и интенсивность для улучшения качества жизни, становится все более и более важным.Светодиоды с настраиваемой цветностью со встроенной системой измерения и управления могут быть разработаны для удовлетворения таких высоких требований к здоровому освещению. .
Рис.1 Свет оказывает двойное воздействие на 24-часовой профиль мелатонина: острый эффект и эффект фазового сдвига.
Дизайн упаковки
При регулировке яркости обычных галогенных ламп
лампа, цвет будет изменен.Однако обычные светодиоды не способны настраивать цветовую температуру при изменении яркости, имитируя изменение некоторых обычных источников освещения.Раньше во многих лампах использовались светодиоды с различными светодиодами CCT, объединенными на печатной плате.
измените цвет освещения, изменив ток вождения.Для управления CCT требуется сложная конструкция светового модуля, что является непростой задачей для производителя светильников. По мере развития конструкции освещения компактные осветительные приборы, такие как точечные светильники и направленные светильники, требуют светодиодных модулей небольшого размера с высокой плотностью размещения. удовлетворяя требованиям как к настройке цвета, так и к компактным источникам света, на рынке появляются настраиваемые цветные COB.
Существует три основные структуры типов настройки цвета: первая использует теплое соединение CCT CSP и холодное соединение CCT CsP непосредственно на печатной плате, как показано на рисунке 2. Второй тип настраиваемого COB с LES, заполненным несколькими полосами разного люминофора CCT. силиконы, как показано на рисунке
3. В этой работе используется третий подход путем смешивания теплых светодиодов CCT CSP с синими флип-чипами и плотным припоем, прикрепленным к подложке. Затем распределяется белая отражающая силиконовая прокладка, чтобы окружить тепло-белые CSP и синие флип-чипы. Он заполнен силиконом, содержащим люминофор, для завершения двухцветного модуля COB, как показано на рис.4.
Рис.4 CSP теплого цвета и синий флип-чип COB (структура 3 – разработка ShineOn)
По сравнению со Структурой 3, Структура 1 имеет три недостатка:
(a) Смешение цветов между различными источниками света CSP в разных CCT не является однородным из-за сегрегации силикона-люминофора, вызванной сколами источников света CSP;
(б) источник света CSP легко повредить при физическом прикосновении;
(c) Зазор каждого источника света CSP легко улавливает пыль, что приводит к уменьшению просвета COB;
У Structure2 также есть свои недостатки:
а) трудности с контролем производственного процесса и контролем CIE;
(b) Смешение цветов между различными секциями CCT не является равномерным, особенно для диаграммы ближнего поля.
На рис. 5 сравниваются лампы MR 16, построенные на основе источников света Структуры 3 (слева) и Структуры 1 (справа).На изображении видно, что Структура 1 имеет светлый оттенок в центре излучающей области, тогда как распределение силы света Структуры 3 более равномерное.
Приложения
В нашем подходе, использующем Структуру 3, существуют две разные схемы для настройки цвета света и яркости.В одноканальной схеме, к которой предъявляются простые требования к драйверу, белая цепочка CSP и синяя цепочка флип-чипа соединены параллельно. В цепочке CSP имеется постоянный резистор.С помощью резистора управляющий ток делится между CSP и синими чипами, что приводит к изменению цвета и яркости. Подробные результаты настройки показаны в таблице 1 и на рисунке 6. Кривая настройки цвета одноканальной схемы показана на рисунке 7.CCT увеличивается по мере увеличения тока возбуждения.Мы реализовали два режима настройки: один имитирует обычную галогенную лампу, а другой — более линейную настройку.Настраиваемый диапазон CCT составляет от 1800K до 3000K.
Таблица 1.Изменение потока и CCT в зависимости от тока возбуждения одноканального COB ShineOn модели 12SA
Рис.7. Настройка CCT по кривой черного тела с управляющим током в одноканальной схеме управляемого COB(7a) и двух
поведение настройки относительной яркости по отношению к галогенной лампе (7b)
В другой конструкции используется двухканальная схема, в которой настраиваемая схема CCT шире, чем в одноканальной схеме. Цепочка CSP и синяя цепочка флип-чипа электрически разделены на подложке и, следовательно, требуют специального источника питания. Цвет и яркость настраиваются управление двумя цепями при желаемом уровне тока и коэффициенте трансформации.Его можно настроить от 3000К до 5700Kas, как показано на рисунке 8 двухканальной модели COB ShineOn 20DA. В таблице 2 приведены подробные результаты настройки, которые могут точно имитировать изменение дневного света с утра на вечер. Путем сочетания использования датчика присутствия и управления схемы, этот настраиваемый источник света помогает увеличить воздействие синего света в течение дня и уменьшить воздействие синего света в ночное время, способствуя благополучию людей и повышению их работоспособности, а также функциям интеллектуального освещения.
Краткое содержание
Настраиваемые светодиодные модули были разработаны путем объединения
Пакеты масштабирования микросхем (CSP) и технология «чип на плате» (COB).CSP и синий флип-чип интегрированы в плату COB для достижения высокой плотности мощности и однородности цвета. Двухканальная структура используется для более широкой настройки CCT в таких приложениях, как коммерческое освещение.Одноканальная структура используется для достижения функции перехода от тусклого к теплому, имитирующей галогенную лампу, в таких приложениях, как дом и гостиничный бизнес.
978-1-5386-4851-3/17/$31,00 02017 IEEE
Подтверждение
Авторы хотели бы выразить благодарность за финансирование со стороны The National Key Research and Development.
Программа Китая (№ 2016YFB0403900).Дополнительно поддержка коллег из ShineOn (Пекин)
Technology Co, также с благодарностью признана.
Рекомендации
[1] Хан, Н., Ву, Ю.-Х.и Тан Ю. «Исследование устройств KNX».
Узел и разработка на основе модуля интерфейса шины», 29-я Китайская конференция по управлению (CCC), 2010, 4346-4350.
[2] Парк, Т. и Хонг, Ш., «Новое предложение системы сетевого управления для BACnet и ее эталонная модель», 8-я Международная конференция IEEE по промышленной информатике (INDIN), 2010, 28-33.
[3] Волерс И., Андонов Р. и Клау Г.В., «DALIX: Оптимальное выравнивание структуры белка DALI», Транзакции IEEE/ACM по вычислительной биологии и биоинформатике, 10, 26-36.
[4] Домингес Ф., Тухафи А., Тиете Дж. и Стин Хаут К.,
«Сосуществование с Wi-Fi для продукта домашней автоматизации ZigBee», 19-й симпозиум IEEE по коммуникациям и автомобильным технологиям в Бенилюксе (SCVT), 2012 г., 1–6.
[5]Лин, В.Дж., Ву, К.С. и Хуанг, Ю.В., «Система автоматического считывания показаний счетчиков на основе связи по линии электропередачи LonWorks», Международная конференция по технологиям и инновациям (ITIC 2009), 2009, 1-5.
[6] Эллис, Э.В., Гонсалес, Э.В. и др., «Автоматическая настройка дневного света с помощью светодиодов: устойчивое освещение для здоровья и благополучия», Материалы весенней исследовательской конференции ARCC 2013 г., март 2013 г.
[7] Информационный документ группы Lighting Science «Освещение: путь к здоровью и производительности», 25 апреля 2016 г.
[8] Фигейро, М.Г., Буллоу, Дж.Д. и др., «Предварительные данные об изменении спектральной чувствительности циркадной системы в ночное время», Журнал циркадных ритмов 3:14.Февраль 2005 г.
[9] Инаничи М., Бреннан М., Кларк Э., «Спектральный дневной свет».
Моделирование: вычисление циркадного света», 14-я конференция Международной ассоциации моделирования характеристик зданий, Хайдарабад, Индия, декабрь 2015 г.