Συντονιζόμενες μονάδες LED με βάση το CSP-COB
Αφηρημένη: Η έρευνα έχει δείξει τη συσχέτιση μεταξύ του χρώματος των πηγών φωτός και του ανθρώπινου κιρκάδιου κύκλου. Ο συντονισμός χρώματος στις περιβαλλοντικές ανάγκες γίνεται όλο και πιο σημαντικός σε εφαρμογές φωτισμού υψηλής ποιότητας. Ένα τέλειο φάσμα φωτός θα πρέπει να παρουσιάζει ιδιότητες πλησιέστερες στο ηλιακό φως με υψηλό CRI, αλλά είναι ιδανικά προσαρμοσμένη στην ανθρώπινη ευαισθησία.Ένα ανθρωποκεντρικό φως (HCL) πρέπει να κατασκευαστεί σύμφωνα με το περιβάλλον αλλαγής, όπως εγκαταστάσεις πολλαπλών χρήσεων, αίθουσες διδασκαλίας, υγειονομική περίθαλψη και να δημιουργήσει ατμόσφαιρα και αισθητική.Οι συντονίσιμες μονάδες LED αναπτύχθηκαν συνδυάζοντας πακέτα κλίμακας chip (CSP) και τεχνολογία chip on board (COB).Τα CSP είναι ενσωματωμένα σε μια πλακέτα COB για να επιτύχουν υψηλή πυκνότητα ισχύος και ομοιομορφία χρώματος, ενώ προσθέτουν νέα λειτουργία συντονισμού χρωμάτων. Η προκύπτουσα πηγή φωτός μπορεί να συντονιστεί συνεχώς από έντονο, πιο ψυχρό έγχρωμο φωτισμό κατά τη διάρκεια της ημέρας σε χαμηλότερο, θερμότερο φωτισμό το βράδυ, Αυτό το έγγραφο περιγράφει λεπτομερώς τη σχεδίαση, τη διαδικασία και την απόδοση των μονάδων LED και την εφαρμογή τους σε φωτισμό LED με θέρμανση και φωτισμό κρεμαστό.
Λέξεις κλειδιά:HCL, Κιρκάδιοι ρυθμοί, Συντονίσιμα LED, Διπλό CCT, Θερμό Dimming, CRI
Εισαγωγή
Το LED όπως το ξέρουμε υπάρχει εδώ και πάνω από 50 χρόνια.Η πρόσφατη ανάπτυξη των λευκών LED είναι αυτή που τα έφερε στη δημοσιότητα ως αντικατάσταση άλλων πηγών λευκού φωτός. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές πηγές φωτός, το LED όχι μόνο παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα της εξοικονόμησης ενέργειας και της μεγάλης διάρκειας ζωής, αλλά επίσης ανοίγει την πόρτα σε νέα ευελιξία σχεδιασμού για ψηφιοποίηση και χρωματικό συντονισμό. Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι παραγωγής διόδων εκπομπής λευκού φωτός (WLED) που παράγουν λευκό φως υψηλής έντασης. Ο ένας είναι η χρήση μεμονωμένων LED που εκπέμπουν τρία βασικά χρώματα - κόκκινο, πράσινο και μπλε — και μετά ανακατέψτε τρία χρώματα για να σχηματίσετε λευκό φως. Το άλλο είναι να χρησιμοποιήσετε υλικά φωσφόρου για να μετατρέψετε το μονοχρωματικό μπλε ή ιώδες φως LED σε λευκό φως ευρέως φάσματος, με τον ίδιο τρόπο που λειτουργεί ένας λαμπτήρας φθορισμού. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η «λευκότητα» του παραγόμενου φωτός είναι ουσιαστικά σχεδιασμένη για να ταιριάζει στο ανθρώπινο μάτι, και ανάλογα με την κατάσταση μπορεί να μην είναι πάντα σκόπιμο να το θεωρούμε λευκό φως.
Ο έξυπνος φωτισμός είναι ένας βασικός τομέας στο έξυπνο κτίριο και στην έξυπνη πόλη στις μέρες μας. Ένας αυξανόμενος αριθμός κατασκευαστών συμμετέχει στο σχεδιασμό και την εγκατάσταση έξυπνων φωτιστικών σε νέες κατασκευές. Η συνέπεια είναι ότι ένας τεράστιος αριθμός προτύπων επικοινωνίας εφαρμόζεται σε διαφορετικές μάρκες προϊόντων (όπως KNx) BACnetP', DALI, ZigBee-ZHAZBA', PLC-Lonworks, κ.λπ. Ένα κρίσιμο πρόβλημα σε όλα αυτά τα προϊόντα είναι ότι δεν μπορούν να λειτουργήσουν μεταξύ τους (δηλαδή χαμηλή συμβατότητα και επεκτασιμότητα).
Τα φωτιστικά LED με την ικανότητα απόδοσης διαφορετικού χρώματος φωτός κυκλοφορούν στην αγορά αρχιτεκτονικού φωτισμού από τις πρώτες μέρες του φωτισμού στερεάς κατάστασης (SSL). Ωστόσο, ο έγχρωμος συντονισμένος φωτισμός παραμένει ένα έργο σε εξέλιξη και απαιτεί μια ορισμένη εργασία από τον προσδιορίζει εάν η εγκατάσταση πρόκειται να είναι επιτυχής.Υπάρχουν τρεις βασικές κατηγορίες τύπων ρύθμισης χρωμάτων στα φωτιστικά LED: ρύθμιση λευκού, αμυδρού προς ζεστό και πλήρης ρύθμισης χρώματος. Και οι τρεις κατηγορίες μπορούν να ελεγχθούν από έναν ασύρματο πομπό χρησιμοποιώντας Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth ή άλλα πρωτόκολλα, και είναι συνδεδεμένα με την οικοδόμηση ισχύος. Λόγω αυτών των επιλογών, το LED παρέχει πιθανές λύσεις για αλλαγή χρώματος ή CCT για να ανταποκρίνεται στους ανθρώπινους κιρκάδιους ρυθμούς.
Κιρκάδιοι Ρυθμοί
Τα φυτά και τα ζώα παρουσιάζουν μοτίβα συμπεριφορικών και φυσιολογικών αλλαγών σε έναν κύκλο περίπου 24 ωρών που επαναλαμβάνονται σε διαδοχικές ημέρες - αυτοί είναι κιρκάδιοι ρυθμοί. Οι κιρκάδιοι ρυθμοί επηρεάζονται από εξωγενείς και ενδογενείς ρυθμούς.
Ο κιρκάδιος ρυθμός ελέγχεται από τη μελατονίνη που είναι μια από τις κύριες ορμόνες που παράγονται στον εγκέφαλο.Και προκαλεί υπνηλία επίσης. Οι υποδοχείς μελανοψίνης ρυθμίζουν την κιρκαδική φάση με το μπλε φως κατά την αφύπνιση, διακόπτοντας την παραγωγή μελατονίνης". Η έκθεση στα ίδια μπλε μήκη κύματος φωτός το βράδυ θα επηρεάσει τον ύπνο και θα διαταράξει τον κιρκάδιο ρυθμό. Ο κιρκάδιος αποσυγχρονισμός εμποδίζει το σώμα να εισερχόμενοι πλήρως στις διάφορες φάσεις του ύπνου, που είναι μια κρίσιμη περίοδος αποκατάστασης για το ανθρώπινο σώμα. Επιπλέον, ο αντίκτυπος της κιρκαδικής διαταραχής εκτείνεται πέρα από την προσοχή κατά τη διάρκεια της ημέρας και τον ύπνο τη νύχτα.
Σχετικά με τους βιολογικούς ρυθμούς στους ανθρώπους μπορεί να μετρηθεί με διάφορους τρόπους συνήθως, κύκλος ύπνου/εγρήγορσης, θερμοκρασία σώματος, συγκέντρωση μελατονίνης, συγκέντρωση κορτιζόλης και συγκέντρωση άλφα αμυλάσης8.Αλλά το φως είναι ο κύριος συγχρονιστής των κιρκάδιων ρυθμών με την τοπική θέση στη γη, επειδή Η ένταση του φωτός, η κατανομή του φάσματος, ο χρόνος και η διάρκεια μπορούν να επηρεάσουν το ανθρώπινο κιρκαδικό σύστημα. Αυτό επηρεάζει επίσης το ημερήσιο εσωτερικό ρολόι.Ο χρόνος έκθεσης στο φως μπορεί είτε να προχωρήσει είτε να καθυστερήσει το εσωτερικό ρολόι. Οι κιρκάδιοι ρυθμοί θα επηρεάσουν την απόδοση και την άνεση του ανθρώπου κ.λπ. Το ανθρώπινο κιρκαδικό σύστημα είναι πιο ευαίσθητο στο φως στα 460 nm (μπλε περιοχή του ορατού φάσματος), ενώ το οπτικό σύστημα είναι πιο ευαίσθητο στα 555 nm (πράσινη περιοχή). Έτσι, ο τρόπος χρήσης του ρυθμιζόμενου CCT και της έντασης για τη βελτίωση της ποιότητας ζωής γίνεται όλο και πιο σημαντικός. Τα έγχρωμα ρυθμιζόμενα LED με ενσωματωμένο σύστημα ανίχνευσης και ελέγχου μπορούν να αναπτυχθούν για να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις υψηλών επιδόσεων, υγιεινού φωτισμού .
Εικ. 1 Το φως έχει διπλή επίδραση στο προφίλ μελατονίνης 24 ωρών, στην οξεία επίδραση και στο φαινόμενο μετατόπισης φάσης.
Σχεδιασμός συσκευασίας
Όταν ρυθμίζετε τη φωτεινότητα του συμβατικού αλογόνου
λάμπα, το χρώμα θα αλλάξει.Ωστόσο, το συμβατικό LED δεν μπορεί να συντονίσει τη θερμοκρασία χρώματος ενώ αλλάζει τη φωτεινότητα, μιμούμενος την ίδια αλλαγή κάποιου συμβατικού φωτισμού.Τις προηγούμενες μέρες, πολλοί λαμπτήρες θα χρησιμοποιούν led με διαφορετικά LED CCT συνδυασμένα στην πλακέτα PCB
αλλάξτε το χρώμα του φωτισμού αλλάζοντας το ρεύμα οδήγησης.Χρειάζεται πολύπλοκη σχεδίαση μονάδας φωτός κυκλώματος για τον έλεγχο του CCT, κάτι που δεν είναι εύκολο έργο για τον κατασκευαστή φωτιστικών. Καθώς ο σχεδιασμός του φωτισμού προχωρά, το συμπαγές φωτιστικό σώμα, όπως τα σποτ και τα κάτω φώτα, απαιτεί μικρού μεγέθους, μονάδες LED υψηλής πυκνότητας, για να ικανοποιούν τις απαιτήσεις τόσο του συντονισμού χρώματος όσο και της συμπαγούς πηγής φωτός, τα συντονίσιμα έγχρωμα COB εμφανίζονται στην αγορά.
Υπάρχουν τρεις βασικές δομές τύπων ρύθμισης χρώματος, η πρώτη, χρησιμοποιεί τη θερμή CCT CSP και την ψυχρή συγκόλληση CCT CsP στην πλακέτα PCB απευθείας όπως απεικονίζεται στο σχήμα 2. Ο δεύτερος τύπος συντονιζόμενος COB με LES γεμάτο με πολλαπλές λωρίδες διαφορετικού φωσφόρου CCT σιλικόνες που φαίνονται στο σχήμα
3. Σε αυτήν την εργασία, ακολουθεί μια τρίτη προσέγγιση αναμειγνύοντας θερμά CCT CSP LEDs με μπλε flip-chips και στενά συγκολλημένα σε ένα υπόστρωμα. Στη συνέχεια, ένα λευκό ανακλαστικό φράγμα σιλικόνης διανέμεται για να περιβάλλει τα θερμά λευκά CSP και τα μπλε flip-chips. , γεμίζεται με σιλικόνη που περιέχει φώσφορο για να συμπληρώσει τη μονάδα COB διπλού χρώματος όπως φαίνεται στην Εικ. 4.
Εικ.4 Ζεστό χρώμα CSP και μπλε αναδιπλούμενο chip COB (Δομή 3- Ανάπτυξη ShineOn)
Σε σύγκριση με τη Δομή 3, η Δομή 1 έχει τρία μειονεκτήματα:
(α) Η ανάμειξη χρωμάτων μεταξύ των διαφορετικών πηγών φωτός CSP σε διαφορετικούς CCT δεν είναι ομοιόμορφη λόγω του διαχωρισμού της σιλικόνης φωσφόρου που προκαλείται από τα τσιπ των πηγών φωτός CSP.
(β) Η φωτεινή πηγή CSP καταστρέφεται εύκολα με ένα φυσικό άγγιγμα.
(γ) Το κενό κάθε πηγής φωτός CSP είναι εύκολο να παγιδευτεί η σκόνη για να προκαλέσει μείωση του αυλού COB.
Το Structure2 έχει επίσης τα μειονεκτήματά του:
(α) Δυσκολία στον έλεγχο της διαδικασίας παραγωγής και στον έλεγχο CIE.
(β) Η ανάμειξη χρωμάτων μεταξύ των διαφορετικών τμημάτων CCT δεν είναι ομοιόμορφη, ειδικά για το σχέδιο κοντινού πεδίου.
Το Σχήμα 5 συγκρίνει λαμπτήρες MR 16 που έχουν κατασκευαστεί με πηγή φωτός της δομής 3 (αριστερά) και της δομής 1 (δεξιά).Από την εικόνα, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι η Δομή 1 έχει μια ανοιχτόχρωμη απόχρωση στο κέντρο της περιοχής εκπομπής, ενώ η κατανομή της φωτεινής έντασης της Δομής 3 είναι πιο ομοιόμορφη.
Εφαρμογές
Στην προσέγγισή μας χρησιμοποιώντας τη Δομή 3, υπάρχουν δύο διαφορετικά σχέδια κυκλωμάτων για τον συντονισμό του ανοιχτού χρώματος και της φωτεινότητας.Σε ένα κύκλωμα μονού καναλιού που έχει μια απλή απαίτηση προγράμματος οδήγησης, η λευκή συμβολοσειρά CSP και η μπλε συμβολοσειρά flip-chip συνδέονται παράλληλα. Υπάρχει μια σταθερή αντίσταση στη συμβολοσειρά CSP.Με την αντίσταση, το ρεύμα κίνησης διαιρείται μεταξύ CSP και μπλε τσιπ με αποτέλεσμα την αλλαγή του χρώματος και της φωτεινότητας. Τα λεπτομερή αποτελέσματα συντονισμού φαίνονται στον Πίνακα 1 και στο Σχήμα 6. Η καμπύλη συντονισμού χρώματος των μονοκαναλικών κυκλωμάτων φαίνεται στο Σχήμα 7.Το CCT αυξάνει το ρεύμα οδήγησης.Έχουμε συνειδητοποιήσει δύο συμπεριφορές συντονισμού με τον έναν να εξομοιώνει συμβατικό λαμπτήρα αλογόνου και τον άλλο πιο γραμμικό συντονισμό.Το εύρος συντονισμού CCT είναι από 1800K έως 3000K.
Τραπέζι 1.Η ροή και το CCT αλλάζουν με το ρεύμα οδήγησης του ShineOn μονοκάναλου COB Model 12SA
Εικ. 7 συντονισμός CCT μαζί με καμπύλη μαύρου σώματος με ρεύμα οδήγησης στο μονοκάναλο ελεγχόμενο κύκλωμα COB(7a) και τα δύο
συμπεριφορές συντονισμού με σχετική φωτεινότητα σε σχέση με τη λάμπα αλογόνου (7b)
Η άλλη σχεδίαση χρησιμοποιεί ένα κύκλωμα δύο καναλιών όπου η διάταξη με δυνατότητα συντονισμού CCT είναι ευρύτερη από το κύκλωμα ενός καναλιού. Η χορδή CSP και η μπλε χορδή flip-chip είναι ηλεκτρικά ξεχωριστά στο υπόστρωμα και επομένως απαιτεί ειδική παροχή ρεύματος. Το χρώμα και η φωτεινότητα ρυθμίζονται από οδηγώντας τα δύο κυκλώματα στο επιθυμητό επίπεδο ρεύματος και αναλογία.Μπορεί να ρυθμιστεί από 3000k έως 5700Kas που φαίνεται στην Εικόνα 8 του ShineOn μοντέλου COB διπλού καναλιού 20DA. Ο Πίνακας 2 παραθέτει το λεπτομερές αποτέλεσμα συντονισμού που μπορεί να προσομοιώσει στενά την αλλαγή του φωτός ημέρας από το πρωί έως το βράδυ. Συνδυάζοντας τη χρήση αισθητήρα πληρότητας και ελέγχου κυκλώματα, αυτή η ρυθμιζόμενη πηγή φωτός βοηθά στην αύξηση της έκθεσης στο μπλε φως κατά τη διάρκεια της ημέρας και στη μείωση της έκθεσης στο μπλε φως κατά τη διάρκεια της νύχτας, προάγοντας την ευημερία των ανθρώπων και την ανθρώπινη απόδοση, καθώς και τις λειτουργίες έξυπνου φωτισμού.
Περίληψη
Συντονίσιμες μονάδες LED αναπτύχθηκαν με συνδυασμό
Πακέτα κλίμακας chip (CSP) και τεχνολογία chip on board (COB).Το CSPs και το blue flip chip είναι ενσωματωμένα σε μια πλακέτα COB για την επίτευξη υψηλής πυκνότητας ισχύος και ομοιομορφίας χρώματος, η δομή δύο καναλιών χρησιμοποιείται για την επίτευξη ευρύτερης ρύθμισης CCT σε εφαρμογές όπως ο εμπορικός φωτισμός.Η δομή ενός καναλιού χρησιμοποιείται για την επίτευξη της λειτουργίας εξομοίωσης της λάμπας αλογόνου από αμυδρό προς θερμό σε εφαρμογές όπως το σπίτι και η φιλοξενία.
978-1-5386-4851-3/17/31,00 $ 02017 IEEE
Αναγνώριση
Οι συγγραφείς θα ήθελαν να αναγνωρίσουν τη χρηματοδότηση από το Εθνικό Κλειδί Έρευνας και Ανάπτυξης
Πρόγραμμα Κίνας (Αρ. 2016YFB0403900).Επιπλέον, υποστήριξη από τους συναδέλφους στο ShineOn (Πεκίνο)
Η Technology Co, είναι επίσης ευγνώμων.
βιβλιογραφικές αναφορές
[1] Han, Ν., Wu, Υ.-Η.και Tang, Y"Research of KNX Device
Node and Development Based on the Bus Interface Module», 29th Chinese Control Conference (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. and Hong, SH , “A New Proposal of Network Management System for BACnet and Its Reference Model”, 8th International Conference on IEEE on Industrial Informatics (INDIN), 2010, 28-33.
[3]Wohlers I, Andonov R. και 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. and Steen Haut, K.,
«Συνύπαρξη με το WiFi για ένα Προϊόν οικιακού αυτοματισμού ZigBee»， IEEE 19th Symposium on Communications and Vehicular Technology in the Benelux (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ， Wu, QX και Huang, YW, "Αυτόματο Σύστημα Ανάγνωσης Μετρητών Βασισμένο στην Επικοινωνία με Γραμμή Power της LonWorks", Διεθνές Συνέδριο για την Τεχνολογία και την Καινοτομία (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, Μάρτιος 2013
[7] Λευκή Βίβλος του Lighting Science Group "Lighting: the Way to Health & Productivity", 25 Απριλίου 2016.
[8] Figueiro,MG,Bullough, JD, et al, "Προκαταρκτικά στοιχεία για μια αλλαγή στη φασματική ευαισθησία του κιρκαδικού συστήματος τη νύχτα",Journal of Circadian Rhythms 3:14.Φεβρουάριος 2005.
[9]Inanici, M,Brennan,M, Clark, E,"Spectral Daylighting
Simulations: Computing Circadian Light», 14th Conference of International Building Performance Simulation Association, Hyderabad, Ινδία, Δεκ.2015.