Indstilbare LED-moduler baseret på CSP-COB
Abstrakt: Forskning har vist sammenhængen mellem farve på lyskilder og menneskelig døgncyklus. Farvejustering til miljømæssige behov er blevet mere og mere vigtig i højkvalitetsbelysningsapplikationer. Et perfekt lysspektrum bør udvise kvaliteter tættest på sollys med høj CRI, men er ideelt set afstemt efter menneskelig følsomhed.Et menneskeligt centreret lys (HCL) skal konstrueres i overensstemmelse med forandringsmiljøet, såsom faciliteter til flere anvendelser, klasseværelser, sundhedspleje, og for at skabe atmosfære og æstetik.Tunbare LED-moduler blev udviklet ved at kombinere chip-skala-pakker (CSP) og chip on board (COB) teknologi.CSP'er er integreret på et COB-kort for at opnå høj effekttæthed og farveensartethed, samtidig med at der tilføjes en ny funktion for farvejustering. Den resulterende lyskilde kan kontinuerligt indstilles fra lys, køligere farvet belysning i løbet af dagen til dæmpet, varmere belysning om aftenen, Dette papir beskriver designet, processen og ydeevnen af LED-modulerne og dets anvendelse i varmedæmpende LED-ned- og pendellys.
Nøgleord:HCL, Circadian rytmer, Tunable LED, Dual CCT, Warm Dimming, CRI
Introduktion
LED'en, som vi kender den, har eksisteret i over 50 år.Den seneste udvikling af hvide LED'er er det, der har bragt det i offentligheden som en erstatning for andre hvide lyskilder. Sammenlignet med de traditionelle lyskilder præsenterer LED ikke kun fordelene ved energibesparelse og lang levetid, men åbner også døren til ny designfleksibilitet til digitalisering og farvejustering. Der er to primære måder at producere hvide lysdioder (WLED'er), der genererer hvidt lys med høj intensitet. Den ene er at bruge individuelle LED'er, der udsender tre primære farver - rød, grøn og blå -og bland derefter tre farver for at danne hvidt lys. Den anden er at bruge fosformaterialer til at konvertere monokromatisk blåt eller violet LED-lys til bredspektret hvidt lys, meget på samme måde som en fluorescerende pære fungerer. Det er vigtigt at bemærke at 'hvidheden' af det producerede lys i det væsentlige er konstrueret til at passe til det menneskelige øje, og afhængigt af situationen er det måske ikke altid passende at tænke på det som hvidt lys.
Smart belysning er et nøgleområde i smart bygning og smart city i dag. Et stigende antal producenter deltager i design og installation af smart belysning i nye byggerier. Konsekvensen er, at en enorm mængde kommunikationsmønstre implementeres i forskellige mærker af produkter ，såsom KNx) BACnetP',DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks osv. Et kritisk problem i alle disse produkter er, at de ikke kan interagere med hinanden (dvs. lav kompatibilitet og udvidelsesmuligheder).
LED-armaturer med evnen til at levere varierende lysfarve har været på markedet for arkitektonisk belysning siden de tidlige dage af solid-state belysning (SSL). Selvom farvejusterbar belysning forbliver et igangværende arbejde og kræver en vis mængde hjemmearbejde af specificator, hvis installationen skal lykkes.Der er tre grundlæggende kategorier af farvejusteringstyper i LED-armaturer: hvid tuning, dim-til-varm og fuld-farve-tuning. Alle de tre kategorier kan styres af en trådløs sender ved hjælp af Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth eller andre protokoller, og er fastkablet til byggekraft. På grund af disse muligheder giver LED mulige løsninger til at ændre farve eller CCT for at imødekomme de menneskelige døgnrytmer.
Døgnrytme
Planter og dyr udviser mønstre af adfærdsmæssige og fysiologiske ændringer over en cirka 24-timers cyklus, som gentages over på hinanden følgende dage - disse er døgnrytmer. Cirkadiske rytmer er påvirket af eksogene og endogene rytmer.
Døgnrytmen styres af Melatonin, som er et af de vigtigste hormoner, der produceres i hjernen.Og det fremkalder også søvnighed. Melanopsin-receptorer indstiller døgnfasen med blåt lys ved opvågning ved at lukke ned for melatoninproduktionen. Eksponering for de samme blå bølgelængder af lys om aftenen vil forstyrre søvnen og forstyrre døgnrytmen. Cirkadisk desynkronisering forhindrer kroppen i at fuldt ind i de forskellige faser af søvnen, hvilket er en kritisk genoprettende tid for den menneskelige krop. Ydermere strækker virkningen af døgnrytmeforstyrrelser sig ud over opmærksomhed i løbet af dagen og søvn om natten.
Om de biologiske rytmer hos mennesker kan normalt måles på flere måder, søvn/vågen-cyklus, kernekropstemperatur, melatonkoncentration, kortisolkoncentration og alfa-amylasekoncentration8. Men lys er den primære synkronisator af døgnrytmer til lokal position på jorden, fordi lysintensitet, spektrumfordeling, timing og varighed kan påvirke det menneskelige døgnsystem. Det påvirker også det daglige indre ur.Tidspunktet for lyseksponering kan enten fremskynde eller forsinke det indre ur". Døgnrytmen vil påvirke menneskets præstationer og komfort osv. Det menneskelige døgnrytmesystem er mest følsomt over for lys ved 460 nm (det blå område af det synlige spektrum), hvorimod det visuelle system er mest følsomt. til 555nm (grøn region). Så hvordan man bruger den justerbare CCT og intensiteten til at forbedre livskvaliteten bliver mere og mere vigtig.Farvejusterbare LED'er med integreret sensor- og kontrolsystem kan udvikles til at opfylde sådanne højtydende, sunde belysningskrav .
Fig.1 Lys har en dobbelt effekt på 24-timers melatoninprofilen, akut effekt og faseskiftende effekt.
Pakke design
Når du justerer lysstyrken af konventionel halogen
lampen, ændres farven.Konventionel LED er dog ikke i stand til at justere farvetemperaturen, mens lysstyrken ændres, og efterligner den samme ændring af noget konventionelt lys.I de tidligere dage brugte mange pærer led med forskellige CCT-LED'er kombineret på printkortet
ændre lysfarven ved at ændre kørestrømmen.Det har brug for komplekst kredsløbslysmoduldesign for at styre CCT, hvilket ikke er let opgave for armaturproducenten. Efterhånden som lysdesignet skrider frem, kalder det kompakte lysarmatur såsom spotlys og downlights for små størrelser, højdensitets LED-moduler, for at opfylder både farvejustering og krav til kompakt lyskilde, der vises afstembare farve COB'er på markedet.
Der er tre grundlæggende strukturer af farvejusteringstyper, den første bruger den varme CCT CSP og kølige CCT CsP-binding på printkortet direkte som vist i figur 2. Den anden type tunerbar COB med LES fyldt med flere striber af forskellig CCT-fosfor silikone som vist i figur
3. I dette arbejde er en tredje tilgang at tage ved at blande varme CCT CSP LED'er med blå flip-chips og tæt lodde på et substrat. Derefter dispenseres en hvid reflekterende silikonedæmning til at omgive de varm-hvide CSP'er og blå flip-chips. , den er fyldt med fosfor indeholdt silikone for at fuldføre dobbeltfarve COB-modulet som vist i Fig.4.
Fig.4 Varm farve CSP og blå flip chip COB (Structure 3- ShineOn udvikling)
Sammenlignet med struktur 3 har struktur 1 tre ulemper:
(a) Farveblanding mellem de forskellige CSP-lyskilder i forskellige CCT'er er ikke ensartet på grund af adskillelsen af fosforsilikone forårsaget af chipsene i CSP-lyskilderne;
(b) CSP-lyskilden beskadiges let med en fysisk berøring;
(c) Mellemrummet i hver CSP-lyskilde er let at fange støvet for at forårsage COB-lumenreduktion;
Structure2 har også sine ulemper:
(a) Vanskeligheder med fremstillingsproceskontrol og CIE-kontrol;
(b) Farveblanding mellem de forskellige CCT-sektioner er ikke ensartet, især for nærfeltsmønsteret.
Figur 5 sammenligner MR 16-lamper bygget med lyskilde af struktur 3 (venstre) og struktur 1 (højre).Fra billedet kan vi se, at Structure 1 har en lys skygge i midten af det udsendende område, mens lysstyrkefordelingen af Structure 3 er mere ensartet.
Ansøgninger
I vores tilgang, der bruger Structure 3, er der to forskellige kredsløbsdesign til justering af lysfarve og lysstyrke.I et enkelt-kanals kredsløb, som har et simpelt driverkrav, er den hvide CSP-streng og den blå flip-chip-streng forbundet parallelt. Der er en fast modstand i CSP-strengen.Med modstanden deles drivstrømmen mellem CSP'er og blå chips, hvilket resulterer i ændring af farve og lysstyrke. De detaljerede justeringsresultater er vist i tabel 1 og figur 6. Farvejusteringskurven for enkeltkanalskredsløb er vist i figur 7.CCT stiger som drivstrømmen.Vi har indset to tuning-adfærd, hvor den ene emulerer konventionel halogen bulband, den anden mere lineær tuning.Det indstillelige CCT-område er fra 1800K til 3000K.
Tabel 1.Flux og CCT ændres med kørestrømmen af ShineOn enkanals COB Model 12SA
fig.
indstillingsadfærd med relativ luminans i forhold til halogenlampe(7b)
Det andet design bruger et dual-channel kredsløb, hvor det afstembare CCT-arrangement er bredere end enkeltkanalskredsløbet. CSP-strengen og blå flip-chip-streng er elektrisk adskilte på substratet, og det kræver derfor speciel strømforsyning. Farven og lysstyrken indstilles af at drive de to kredsløb på ønsket strømniveau og forhold.Den kan indstilles fra 3000k til 5700Kas vist i figur 8 af ShineOn dual-channel COB model 20DA.Tabel 2 viser det detaljerede tuning resultat, som tæt kan simulere dagslysændringen fra morgen til aften.Ved at kombinere brugen af tilstedeværelsessensor og kontrol kredsløb, denne justerbare lyskilde hjælper med at øge eksponeringen for blåt lys i løbet af dagen og reducere eksponeringen for blåt lys om natten, fremmer folks velvære og menneskelige præstationer samt smarte belysningsfunktioner.
Resumé
Tunbare LED-moduler blev udviklet ved at kombinere
chip scale packages (CSP) og chip on board (COB) teknologi.CSP'er og blå flip-chip er integreret på et COB-kort for at opnå høj effekttæthed og farveensartethed, dual-channel struktur bruges til at opnå bredere CCT-tuning i applikationer som kommerciel belysning.Enkeltkanalsstruktur bruges til at opnå en halogenlampe, der emulerer en halogenlampe med en svag til varm funktion i applikationer som hjemme og gæstfrihed.
978-1-5386-4851-3/17/$31,00 02017 IEEE
Anerkendelse
Forfatterne vil gerne anerkende finansieringen fra The National Key Research and Development
Kinas program (nr. 2016YFB0403900).Derudover støtte fra kollegerne i ShineOn (Beijing)
Technology Co, er også taknemmelig anerkendt.
Referencer
[1] Han, N., Wu, Y.-H.og Tang, Y,"Forskning af KNX-enhed
Node og udvikling baseret på busgrænseflademodulet", 29. kinesiske kontrolkonference (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. og Hong, SH "A New Proposal of Network Management System for BACnet and Its Reference Model", 8. 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 til hjemmeautomatisering"， IEEE 19. symposium om kommunikation og køretøjsteknologi 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] Lighting Science Group White Paper,"Lighting: the Way to Health & Productivity", 25. april 2016.
[8] Figueiro, MG, Bullough, JD, et al, "Foreløbige beviser for en ændring i spektral følsomhed af det cirkadiske system 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, Indien, dec.2015.