Justerbare LED-moduler basert på CSP-COB
Abstrakt: Forskning har indikert korrelasjonen mellom fargen på lyskilder og menneskelig døgnsyklus. Fargejustering til miljøbehov har blitt mer og mer viktig i høykvalitetsbelysningsapplikasjoner. Et perfekt lysspekter bør vise kvaliteter nærmest sollys med høy CRI, men er ideelt sett tilpasset menneskelig følsomhet.Et menneskesentrisk lys (HCL) må konstrueres i henhold til endringsmiljøer som flerbruksfasiliteter, klasserom, helsevesen, og for å skape atmosfære og estetikk.Justerbare LED-moduler ble utviklet ved å kombinere chip scale packages (CSP) og chip on board (COB) teknologi.CSP-er er integrert på et COB-kort for å oppnå høy effekttetthet og fargeuniformitet, samtidig som den legger til en ny funksjon for fargejustering. Den resulterende lyskilden kan justeres kontinuerlig fra skarp, kjøligere farget belysning om dagen til dimmer, varmere belysning om kvelden, Denne artikkelen beskriver utformingen, prosessen og ytelsen til LED-modulene og dens anvendelse i varmdimmende LED-ned- og pendellys.
Stikkord:HCL, Circadian rytmer, Justerbar LED, Dual CCT, Varm dimming, CRI
Introduksjon
LED-en slik vi kjenner den har eksistert i over 50 år.Den nylige utviklingen av hvite lysdioder er det som har brakt den inn i offentligheten som en erstatning for andre hvite lyskilder. Sammenlignet med tradisjonelle lyskilder presenterer LED ikke bare fordelene med energisparing og lang levetid, men åpner også døren til ny designfleksibilitet for digitalisering og fargejustering. Det er to primære måter å produsere hvite lysdioder (WLED) som genererer hvitt lys med høy intensitet. Den ene er å bruke individuelle lysdioder som sender ut tre primærfarger – rød, grønn og blå – og bland deretter tre farger for å danne hvitt lys. Den andre er å bruke fosformaterialer til å konvertere monokromatisk blått eller fiolett LED-lys til bredspektret hvitt lys, omtrent på samme måte som en fluorescerende lyspære. Det er viktig å merke seg at "hvitheten" til lyset som produseres i hovedsak er konstruert for å passe det menneskelige øyet, og avhengig av situasjonen er det kanskje ikke alltid hensiktsmessig å tenke på det som hvitt lys.
Smart belysning er et nøkkelområde i smartbygg og smartby i dag. Et økende antall produsenter deltar i design og installasjon av smart belysning i nye konstruksjoner. Konsekvensen er at en enorm mengde kommunikasjonsmønstre implementeres i forskjellige produktmerker ，som KNx ) BACnetP', DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks, etc. Et kritisk problem i alle disse produktene er at de ikke kan samvirke med hverandre (dvs. lav kompatibilitet og utvidbarhet).
LED-armaturer med evnen til å levere varierende lysfarge har vært på markedet for arkitektonisk belysning siden de tidlige dagene med solid-state belysning (SSL). Skjønt fargejusterbar belysning forblir et arbeid som pågår og krever en viss mengde lekser av spesifikasjoner om installasjonen skal lykkes.Det er tre grunnleggende kategorier av fargejusteringstyper i LED-armaturer: hvit tuning, dim-til-varm og full-farge-tuning. Alle de tre kategoriene kan kontrolleres av en trådløs sender som bruker Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth eller andre protokoller, og er koblet til byggekraft. På grunn av disse alternativene gir LED mulige løsninger for å endre farge eller CCT for å møte de menneskelige døgnrytmene.
Døgnrytme
Planter og dyr viser mønstre av atferdsmessige og fysiologiske endringer over en omtrentlig 24-timers syklus som gjentas over påfølgende dager - disse er døgnrytmer. Cirkadiske rytmer påvirkes av eksogene og endogene rytmer.
Døgnrytmen styres av Melatonin som er et av de viktigste hormonene som produseres i hjernen.Og det induserer søvnighet også. Melanopsinreseptorer setter døgnfasen med blått lys ved oppvåkning ved å stenge ned melatoninproduksjonen. Eksponering for de samme blå bølgelengdene av lys om kvelden vil forstyrre søvnen og forstyrre døgnrytmen. Cirkadisk desynkronisering hindrer kroppen i å fullt inn i de ulike fasene av søvnen, som er en kritisk gjenopprettende tid for menneskekroppen. Videre strekker virkningen av døgnforstyrrelser utover oppmerksomhet om dagen og søvn om natten.
Om de biologiske rytmene hos mennesker kan vanligvis måles på flere måter, søvn/våkne-syklus, kjernekroppstemperatur, melatonkonsentrasjon, kortisolkonsentrasjon og alfa-amylasekonsentrasjon8. Men lys er den primære synkronisatoren av døgnrytmer til lokal posisjon på jorden, fordi lysintensitet, spektrumdistribusjon, timing og varighet kan påvirke det menneskelige døgnsystemet. Det påvirker også den daglige interne klokken.Tidspunktet for lyseksponering kan enten fremskynde eller forsinke den indre klokken. Døgnrytmen vil påvirke menneskets ytelse og komfort osv. Det menneskelige døgnsystemet er mest følsomt for lys ved 460 nm (blått område av det synlige spekteret), mens det visuelle systemet er mest følsomt. til 555nm (grønn region). Så hvordan bruke den justerbare CCT og intensiteten for å forbedre livskvaliteten blir stadig viktigere. Fargejusterbare LED-er med integrert sensor- og kontrollsystem kan utvikles for å møte slike krav til høy ytelse og sunn belysning .
Fig.1 Lys har en dobbel effekt på 24-timers melatoninprofilen, akutt effekt og faseskiftende effekt.
Pakkedesign
Når du justerer lysstyrken til konvensjonell halogen
lampen, vil fargen endres.Konvensjonell LED er imidlertid ikke i stand til å justere fargetemperaturen mens den endrer lysstyrken, etterligner den samme endringen av noe konvensjonell belysning.I de tidligere dagene brukte mange pærer led med forskjellige CCT-lysdioder kombinert på PCB-kortet
endre lysfargen ved å endre kjørestrømmen.Den trenger kompleks kretslysmoduldesign for å kontrollere CCT, noe som ikke er lett oppgave for armaturprodusenten. Etter hvert som lysdesignet skrider frem, kaller den kompakte lysarmaturen som spotlys og nedlys for små LED-moduler med høy tetthet, for å tilfredsstiller både fargejustering og krav til kompakt lyskilde, avstembare farge COB-er vises på markedet.
Det er tre grunnleggende strukturer av fargejusteringstyper, den første, den bruker varm CCT CSP og kjølig CCT CsP-binding på PCB-kortet direkte som illustrert i figur 2. Den andre typen avstembar COB med LES fylt med flere striper av forskjellige CCT-fosfor silikoner som vist i figuren
3. I dette arbeidet er en tredje tilnærming å ta ved å blande varme CCT CSP-LED-er med blå flip-chips og tett loddetinn festet på et underlag. Deretter dispenseres en hvit reflekterende silikondemning for å omgi de varm-hvite CSP-ene og blå flip-brikkene. , den er fylt med fosforholdig silikon for å fullføre den tofargede COB-modulen som vist i Fig.4.
Fig.4 Varm farge CSP og blå flip chip COB (Structure 3- ShineOn utvikling)
Sammenlignet med struktur 3 har struktur 1 tre ulemper:
(a) Fargeblanding mellom de forskjellige CSP-lyskildene i forskjellige CCT-er er ikke ensartet på grunn av segregeringen av fosforsilikon forårsaket av brikkene til CSP-lyskildene;
(b) CSP-lyskilden skades lett med en fysisk berøring;
(c) Mellomrommet til hver CSP-lyskilde er lett å fange opp støvet for å forårsake COB-lumenreduksjon;
Structure2 har også sine ulemper:
(a) Vanskeligheter med produksjonsprosesskontroll og CIE-kontroll;
(b) Fargeblanding mellom de forskjellige CCT-seksjonene er ikke ensartet, spesielt for nærfeltmønsteret.
Figur 5 sammenligner MR 16-lamper bygget med lyskilde for struktur 3 (venstre) og struktur 1 (høyre).Fra bildet kan vi finne at Structure 1 har en lys nyanse i midten av emitterende område, mens lysstyrkefordelingen til Structure 3 er mer jevn.
applikasjoner
I vår tilnærming ved bruk av Structure 3, er det to forskjellige kretsdesign for justering av lysfarge og lysstyrke.I en enkeltkanalskrets som har et enkelt driverkrav, er den hvite CSP-strengen og den blå flip-chip-strengen koblet parallelt. Det er en fast motstand i CSP-strengen.Med motstanden blir drivstrømmen delt mellom CSP-er og blå brikker, noe som resulterer i endring av farge og lysstyrke. De detaljerte innstillingsresultatene er vist i tabell 1 og figur 6. Fargejusteringskurven til enkanalskretser er vist i figur 7.CCT øker som drivstrømmen.Vi har innsett to tuning oppførsel med en emulerer konvensjonell halogen bulband den andre mer lineær tuning.Det justerbare CCT-området er fra 1800K til 3000K.
Tabell 1.Fluks og CCT endres med kjørestrømmen til ShineOn enkanals COB modell 12SA
Fig.7CCT-innstilling sammen med svartkroppskurve med drivstrøm i den enkanalskretskontrollerte COB(7a) og de to
innstillingsadferd med relativ luminans i forhold til halogenlampe(7b)
Den andre utformingen bruker en tokanalskrets der det avstembare CCT-arrangementet er bredere enn enkeltkanalskretsen. CSP-strengen og blå flip-chip-strengen er elektrisk atskilt på underlaget og krever derfor spesiell strømforsyning. Fargen og lysstyrken justeres av å drive de to kretsene til ønsket strømnivå og forhold.Den kan stilles inn fra 3000k til 5700Kas vist i figur 8 av ShineOn dual-channel COB modell 20DA. Tabell 2 listet opp det detaljerte innstillingsresultatet som tett kan simulere dagslysendringen fra morgen til kveld. Ved å kombinere bruken av tilstedeværelsessensor og kontroll kretser, denne justerbare lyskilden bidrar til å øke eksponeringen for blått lys i løpet av dagen og redusere eksponeringen for blått lys om natten, fremmer folks velvære og menneskelige ytelse, samt smarte lysfunksjoner.
Sammendrag
Justerbare LED-moduler ble utviklet ved å kombinere
chip scale packages (CSP) og chip on board (COB) teknologi.CSP-er og blå flip-brikke er integrert på et COB-kort for å oppnå høy effekttetthet og fargeuniformitet, tokanalsstruktur brukes for å oppnå bredere CCT-innstilling i applikasjoner som kommersiell belysning.En-kanals struktur brukes for å oppnå svak-til-varm funksjon som emulerer halogenlampe i applikasjoner som hjemme og gjestfrihet.
978-1-5386-4851-3/17/$31,00 02017 IEEE
Bekreftelse
Forfatterne vil gjerne takke for finansieringen fra The National Key Research and Development
Program for Kina (nr. 2016YFB0403900).I tillegg støtte fra kollegene i ShineOn (Beijing)
Technology Co, er også takknemlig anerkjent.
Referanser
[1] Han, N., Wu, Y.-H.og Tang, Y,"Research of KNX Device
Node og utvikling basert på bussgrensesnittmodulen", 29th Chinese Control Conference (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. og Hong, SH "A New Proposal of Network Management System for BACnet and Its Reference Model", 8th IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN), 2010, 28-33.
[3] Wohlers I, Andonov R. og Klau GW, "DALIX: Optimal DALI Protein Structure Alignment", IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10, 26-36.
[4] Dominguez, F, Touhafi, A., Tiete, J. og Steen haut, K.,
“Sameksistens med WiFi for et ZigBee-produkt for hjemmeautomatisering”， IEEE 19. symposium om kommunikasjon og kjøretøyteknologi i Benelux (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ， Wu, QX og Huang, YW,"Automatic Meter Reading System Based on Power Line Communication of LonWorks", International Conference on Technology and Innovation (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, Mar, 2013
[7] White Paper for Lighting Science Group,"Lighting: the Way to Health & Productivity", 25. april 2016.
[8] Figueiro, MG, Bullough, JD, et al, "Foreløpige bevis for en endring i spektral følsomhet av døgnsystemet om natten", Journal of Circadian Rhythms 3:14.februar 2005.
[9]Inanici, M,Brennan,M, Clark, E,"Spectral Daylighting
Simulations: Computing Circadian Light", 14th Conference of International Building Performance Simulation Association, Hyderabad, India, desember 2015.