Módulos LED sintonizables baseados en CSP-COB
Resumo: A investigación indicou a correlación entre a cor das fontes de luz e o ciclo circadiano humano. A axuste da cor ás necesidades ambientais volveuse cada vez máis importante nas aplicacións de iluminación de alta calidade. Un espectro perfecto de luz debería mostrar as calidades máis próximas á luz solar cun CRI elevado, pero o ideal é en sintonía coa sensibilidade humana.Unha luz centrada no ser humano (HCL) debe ser deseñada segundo o ambiente cambiante, como instalacións multiusos, aulas, coidados de saúde, e para crear ambiente e estética.Os módulos LED sintonizables foron desenvolvidos combinando paquetes de escala de chip (CSP) e tecnoloxía chip on board (COB).Os CSP están integrados nun taboleiro COB para lograr unha alta densidade de potencia e uniformidade de cor, ao tempo que engaden unha nova función de sintonización da cor. A fonte de luz resultante pódese sintonizar continuamente desde unha iluminación de cores brillante e fría durante o día para atenuar, unha iluminación máis cálida pola noite. Este documento detalla o deseño, o proceso e o rendemento dos módulos LED e a súa aplicación na luz LED de atenuación quente e na luz colgante.
Palabras clave:HCL, ritmos circadianos, LED sintonizable, CCT dual, atenuación en calor, CRI
Introdución
O LED tal e como o coñecemos leva máis de 50 anos.O recente desenvolvemento dos LED brancos é o que o levou ao público como substituto doutras fontes de luz branca. En comparación coas fontes de luz tradicionais, o LED non só presenta as vantaxes do aforro de enerxía e unha longa vida útil, senón que tamén abre a porta nova flexibilidade de deseño para dixitalizar e axustar a cor. Hai dúas formas principais de producir díodos emisores de luz branca (WLED) que xeran luz branca de alta intensidade. Unha delas é usar LED individuais que emitan tres cores primarias: vermello, verde e azul —e despois mestura tres cores para formar luz branca. A outra é usar materiais de fósforo para converter a luz LED monocromática azul ou violeta en luz branca de amplo espectro, do mesmo xeito que funciona unha lámpada fluorescente. É importante ter en conta que a "brancura" da luz producida está esencialmente deseñada para adaptarse ao ollo humano, e, dependendo da situación, pode que non sempre sexa apropiado pensar nela como luz branca.
A iluminación intelixente é unha área clave no edificio intelixente e na cidade intelixente hoxe en día. Un número crecente de fabricantes participan no deseño e instalación de iluminación intelixente en novas construcións. A consecuencia é que se implementan unha gran cantidade de patróns de comunicación en diferentes marcas de produtos. ，como KNx ) BACnetP', DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks, etc. Un problema crítico en todos estes produtos é que non poden interoperar entre si (é dicir, baixa compatibilidade e extensibilidade).
As luminarias LED con capacidade de ofrecer diferentes cores de luz estiveron no mercado da iluminación arquitectónica desde os primeiros días da iluminación de estado sólido (SSL). especificar se a instalación debe ser exitosa.Existen tres categorías básicas de tipos de axuste de cores nas luminarias LED: axuste de branco, atenuación a quente e axuste de cores completas. As tres categorías pódense controlar mediante un transmisor sen fíos mediante Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth ou Debido a estas opcións, o LED ofrece posibles solucións para cambiar de cor ou CCT para cumprir os ritmos circadianos humanos.
Ritmos circadianos
As plantas e os animais presentan patróns de cambios fisiolóxicos e de comportamento durante un ciclo de aproximadamente 24 horas que se repiten durante días sucesivos; estes son ritmos circadianos. Os ritmos circadianos están influenciados por ritmos exóxenos e endóxenos.
O ritmo circadiano está controlado pola melatonina, que é unha das principais hormonas producidas no cerebro.E tamén induce a somnolencia. Os receptores da melanopsina establecen a fase circadiana con luz azul ao espertar ao apagar a produción de melatonina. A exposición ás mesmas lonxitudes de onda azul de luz pola noite interferirá co sono e perturbará o ritmo circadiano. A desincronización circadiana impide que o corpo entrando plenamente nas distintas fases do sono, o que é un momento crítico de restauración para o corpo humano. Ademais, o impacto da interrupción circadiana esténdese máis alá da atención durante o día e do sono pola noite.
Sobre os ritmos biolóxicos dos humanos pódense medir de varias maneiras, normalmente, o ciclo de sono/vixilia, a temperatura corporal central, a concentración de melatonina, a concentración de cortisol e a concentración de alfa amilase 8. Pero a luz é o principal sincronizador dos ritmos circadianos coa posición local na Terra, porque A intensidade da luz, a distribución do espectro, o tempo e a duración poden influír no sistema circadiano humano. Isto tamén afecta ao reloxo interno diario.O tempo de exposición á luz pode avanzar ou retrasar o reloxo interno. Os ritmos circadianos influirán no rendemento e confort do ser humano, etc. O sistema circadiano humano é máis sensible á luz a 460 nm (rexión azul do espectro visible), mentres que o sistema visual é máis sensible. a 555 nm (rexión verde). Polo tanto, como usar o CCT e a intensidade axustables para mellorar a calidade de vida é cada vez máis importante. Pódense desenvolver LEDs de cor sintonizables con sistema de detección e control integrados para cumprir con esixencias de iluminación saudables e de alto rendemento. .
Fig.1 A luz ten un dobre efecto sobre o perfil de melatonina de 24 horas, o efecto agudo e o efecto de cambio de fase.
Deseño de paquetes
Cando axusta o brillo dos halóxenos convencionais
lámpada, a cor cambiarase.Non obstante, o LED convencional non é capaz de sintonizar a temperatura da cor mentres cambia o brillo, emulando o mesmo cambio que algunha iluminación convencional.Nos primeiros días, moitas lámpadas usarán LED con diferentes LED CCT combinados na placa PCB para
cambiar a cor da iluminación cambiando a corrente de condución.Necesita un deseño de módulos de luz de circuíto complexo para controlar o CCT, o que non é unha tarefa fácil para o fabricante de luminarias. A medida que avanza o deseño de iluminación, o dispositivo de iluminación compacto, como focos e luces descendentes, chama a módulos LED de alta densidade de pequeno tamaño, co fin de satisfacer tanto os requisitos de axuste de cores como de fonte de luz compacta, aparecen no mercado COBs de cores sintonizables.
Hai tres estruturas básicas de tipos de axuste de cores, a primeira, usa o enlace CCT CSP cálido e o enlace CCT CsP frío directamente na placa PCB, como se ilustra na Figura 2. O segundo tipo COB sintonizable con LES cheo de varias franxas de diferentes fósforos CCT. siliconas como se mostra na figura
3. Neste traballo, está a adoptar un terceiro enfoque mesturando LEDs CCT CSP quentes con chips azuis flip-chips e soldados pegados a un substrato. A continuación, preséntase unha presa de silicona reflectora branca para rodear as CSP brancas cálidas e as fichas azuis. , está cheo de silicona contida fósforo para completar o módulo COB de dobre cor como se mostra na Fig.4.
Fig.4 CSP de cor cálida e COB de chip azul flip (Estrutura 3- desenvolvemento de ShineOn)
En comparación coa Estrutura 3, a Estrutura 1 ten tres desvantaxes:
(a) A mestura de cores entre as diferentes fontes de luz CSP en diferentes CCT non é uniforme debido á segregación da silicona fósforo causada polos chips das fontes de luz CSP;
(b) A fonte de luz CSP danase facilmente cun toque físico;
(c) O espazo de cada fonte de luz CSP é fácil de atrapar o po para provocar a redución do lumen COB;
Structure2 tamén ten as súas desvantaxes:
(a) Dificultade no control do proceso de fabricación e control CIE;
(b) A mestura de cores entre as diferentes seccións CCT non é uniforme, especialmente para o patrón de campo próximo.
A Figura 5 compara as lámpadas MR 16 construídas coa fonte de luz da Estrutura 3 (esquerda) e da Estrutura 1 (dereita).A partir da imaxe, podemos atopar que a Estrutura 1 ten unha sombra clara no centro da área emisora, mentres que a distribución da intensidade luminosa da Estrutura 3 é máis uniforme.
Aplicacións
No noso enfoque usando Structure 3, hai dous deseños de circuítos diferentes para a axuste da cor da luz e do brillo.Nun circuíto de canle único que ten un requisito sinxelo de controlador, a cadea CSP branca e a corda azul flip-chip están conectadas en paralelo. Hai unha resistencia fixa na cadea CSP.Coa resistencia, a corrente de condución divídese entre CSP e chips azuis, o que resulta no cambio da cor e do brillo. Os resultados detallados da sintonía móstranse na Táboa 1 e na Figura 6. A curva de sintonización da cor dos circuítos dun só canal móstrase na Figura 7.O CCT aumenta a corrente de condución.Realizamos dous comportamentos de axuste, un que emula a bombilla halóxena convencional e outro máis lineal.O rango CCT sintonizable é de 1800K a 3000K.
Táboa 1.Cambio de fluxo e CCT coa corrente de condución do modelo COB monocanal ShineOn 12SA
Fig. 7 Sintonización CCT xunto coa curva de corpo negro coa corrente de condución no COB(7a) controlado por un circuíto dun só canle e os dous
comportamentos de sintonización con luminancia relativa en referencia á lámpada halóxena (7b)
O outro deseño usa un circuíto de dobre canle onde a disposición sintonizable CCT é máis ampla que o circuíto dun só canle. A corda CSP e a corda azul flip-chip están separadas eléctricamente no substrato e, polo tanto, require unha fonte de alimentación especial. A cor e o brillo están axustados por conducir os dous circuítos ao nivel e relación de corrente desexados.Pódese sintonizar de 3000k a 5700Ka como se mostra na Figura 8 do modelo COB de dobre canle ShineOn 20DA. A táboa 2 enumerou o resultado detallado da sintonía que pode simular de preto o cambio de luz do día da mañá á noite. Ao combinar o uso do sensor de ocupación e o control. circuítos, esta fonte de luz axustable axuda a aumentar a exposición á luz azul durante o día e reducir a exposición á luz azul durante a noite, promovendo o benestar das persoas e o rendemento humano, así como as funcións de iluminación intelixente.
Resumo
Os módulos LED sintonizables desenvolvéronse combinando
chip scale packages (CSP) e tecnoloxía chip on board (COB).CSPs e blue flip chip están integrados nun taboleiro COB para acadar unha alta densidade de potencia e uniformidade de cor, a estrutura de dobre canle utilízase para conseguir un axuste CCT máis amplo en aplicacións como a iluminación comercial.A estrutura dun só canle utilízase para lograr unha función de atenuación a quente emulando a lámpada halóxena en aplicacións como o fogar e a hostalaría.
978-1-5386-4851-3/17/$31.00 02017 IEEE
Recoñecemento
Os autores queren recoñecer o financiamento de The National Key Research and Development
Programa de China (núm. 2016YFB0403900).Ademais, apoio dos compañeiros de ShineOn (Beijing)
Technology Co, tamén se agradece.
Referencias
[1] Han, N., Wu, Y.-H.e Tang, Y,"Investigación do dispositivo KNX
Node and Development Based on the Bus Interface Module", 29th Chinese Control Conference (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. e 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. e 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. e Steen haut, K.,
“Coexistencia con WiFi para un produto ZigBee de domótica”, IEEE 19th Symposium on Communications and Vehicular Technology in the Benelux (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ， Wu, QX e 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, marzo de 2013
[7] Libro branco do Lighting Science Group, "Lighting: the Way to Health& Productivity", 25 de abril de 2016.
[8] Figueiro,MG,Bullough, JD, et al, "Preliminary evidence for a change in spectral sensitivity of the circadian system at night", Journal of Circadian Rhythms 3:14.febreiro 2005.
[9]Inanici, M,Brennan,M, Clark, E,"Spectral Daylighting
Simulations: Computing Circadian Light", 14th Conference of International Building Performance Simulation Association, Hyderabad, India, decembro de 2015.