Mòduls LED ajustables basats en CSP-COB
Resum: La investigació ha indicat la correlació entre el color de les fonts de llum i el cicle circadià humà. L'ajust del color a les necessitats ambientals s'ha tornat cada cop més important en aplicacions d'il·luminació d'alta qualitat. Un espectre de llum perfecte hauria de mostrar les qualitats més properes a la llum solar amb un CRI alt, però idealment és en sintonia amb la sensibilitat humana.Una llum centrada en l'ésser humà (HCL) s'ha de dissenyar segons l'entorn canviant, com ara instal·lacions multiús, aules, atenció sanitària, i per crear ambient i estètica.Els mòduls LED ajustables es van desenvolupar combinant paquets d'escala de xip (CSP) i tecnologia de xip a bord (COB).Els CSP s'integren en un tauler COB per aconseguir una alta densitat de potència i uniformitat de color, alhora que afegeixen una nova funció de sintonització del color. La font de llum resultant es pot ajustar contínuament des d'una il·luminació brillant i de colors més fred durant el dia per atenuar, una il·luminació més càlida al vespre, Aquest document detalla el disseny, el procés i el rendiment dels mòduls LED i la seva aplicació a la llum LED d'atenuació càlida i la llum penjant.
Paraules clau:HCL, ritmes circadians, LED ajustable, CCT dual, atenuació càlida, CRI
Introducció
El LED tal com el coneixem fa més de 50 anys.El desenvolupament recent dels LED blancs és el que l'ha portat a l'atenció pública com a reemplaçament d'altres fonts de llum blanca. En comparació amb les fonts de llum tradicionals, el LED no només presenta els avantatges d'estalvi d'energia i una llarga vida útil, sinó que també obre la porta a nova flexibilitat de disseny per a la digitalització i l'ajust del color. Hi ha dues maneres principals de produir díodes emissors de llum blanca (WLED) que generen llum blanca d'alta intensitat. Una és utilitzar LED individuals que emeten tres colors primaris: vermell, verd i blau —i després barreja tres colors per formar llum blanca. L'altre és utilitzar materials de fòsfor per convertir la llum LED monocromàtica blava o violeta en llum blanca d'ampli espectre, de la mateixa manera que funciona una bombeta fluorescent. És important tenir en compte que la "blancura" de la llum produïda està dissenyada essencialment per adaptar-se a l'ull humà, i, depenent de la situació, pot ser que no sempre sigui adequat pensar-la com a llum blanca.
La il·luminació intel·ligent és una àrea clau en l'edifici intel·ligent i la ciutat intel·ligent avui en dia. Un nombre creixent de fabricants participen en el disseny i instal·lació d'il·luminació intel·ligent en noves construccions. La conseqüència és que s'implementen una gran quantitat de patrons de comunicació en diferents marques de productes. ，com ara KNx ) BACnetP', DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks, etc. Un problema crític en tots aquests productes és que no poden interoperar entre ells (és a dir, baixa compatibilitat i extensibilitat).
Les lluminàries LED amb la capacitat de proporcionar diferents colors de la llum han estat al mercat de la il·luminació arquitectònica des dels primers dies de la il·luminació d'estat sòlid (SSL). Tot i que, la il·luminació ajustable en color segueix sent un treball en curs i requereix una certa quantitat de deures per part del especificar si la instal·lació ha de tenir èxit.Hi ha tres categories bàsiques de tipus d'afinació de color a les lluminàries LED: sintonització blanca, tènue a càlida i sintonització a tot color. Les tres categories es poden controlar mitjançant un transmissor sense fil mitjançant Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth o altres protocols, i estan connectats a l'energia de construcció. A causa d'aquestes opcions, el LED ofereix possibles solucions per canviar de color o CCT per satisfer els ritmes circadians humans.
Ritmes circadians
Les plantes i els animals presenten patrons de canvis de comportament i fisiològics durant un cicle d'aproximadament 24 hores que es repeteixen durant dies successius; aquests són ritmes circadians. Els ritmes circadians estan influenciats per ritmes exògens i endògens.
El ritme circadià està controlat per la melatonina, que és una de les hormones principals produïdes al cervell.I també indueix somnolència. Els receptors de melanopsina estableixen la fase circadiana amb llum blava en despertar-se apagant la producció de melatonina". L'exposició a les mateixes longituds d'ona blaves de la llum al vespre interferirà amb el son i alterarà el ritme circadià. La desincronització circadiana impedeix que el cos entrar plenament en les diferents fases del son, que és un temps de restauració crític per al cos humà. A més, l'impacte de la interrupció circadiana s'estén més enllà de la consciència durant el dia i el son a la nit.
Sobre els ritmes biològics en humans es poden mesurar de diverses maneres, normalment, cicle de son/vigília, temperatura corporal central, concentració de melatonina, concentració de cortisol i concentració d'alfa amilasa 8. Però la llum és els sincronitzadors principals dels ritmes circadians a la posició local a la terra, perquè La intensitat de la llum, la distribució de l'espectre, el temps i la durada poden influir en el sistema circadià humà. Això també afecta el rellotge intern diari.El temps d'exposició a la llum pot avançar o retardar el rellotge intern". Els ritmes circadians influiran en el rendiment i la comoditat de l'ésser humà, etc. El sistema circadià humà és més sensible a la llum a 460 nm (regió blava de l'espectre visible), mentre que el sistema visual és més sensible. a 555 nm (regió verda). Així que com utilitzar el CCT ajustable i la intensitat per millorar la qualitat de vida és cada cop més important. Es poden desenvolupar LED ajustables de color amb un sistema de control i detecció integrat per complir amb els requisits d'il·luminació saludables d'un alt rendiment. .
Fig.1 La llum té un doble efecte sobre el perfil de melatonina de 24 hores, efecte agut i efecte de canvi de fase.
Disseny de paquets
Quan ajusteu la brillantor dels halògens convencionals
llum, el color es canviarà.Tanmateix, el LED convencional no pot ajustar la temperatura del color mentre canvia la brillantor, imitant el mateix canvi d'alguna il·luminació convencional.En els primers dies, moltes bombetes utilitzaran LED amb diferents LED CCT combinats a la placa PCB per
canviar el color de la il·luminació canviant el corrent de conducció.Necessita un disseny de mòduls de llum de circuit complex per controlar el CCT, cosa que no és una tasca fàcil per al fabricant de lluminàries. A mesura que avança el disseny de la il·luminació, l'aparell d'il·luminació compacte, com ara focus i llums, demana mòduls LED d'alta densitat i de mida petita, per tal de satisfer tant els requisits d'ajust de color com de font de llum compacta, apareixen COB de color ajustables al mercat.
Hi ha tres estructures bàsiques de tipus d'afinació de colors, la primera, utilitza l'enllaç CCT CSP càlid i la unió CCT freda CsP directament a la placa PCB, tal com s'il·lustra a la figura 2. El segon tipus COB ajustable amb LES ple de diverses ratlles de diferents fòsfors CCT. silicones com es mostra a la figura
3. En aquest treball, s'està adoptant un tercer enfocament barrejant LEDs CCT CSP càlids amb xips blaus i una soldadura estreta unida a un substrat. A continuació, es distribueix una presa de silicona reflectant blanca per envoltar els CSP blancs càlids i els xips blaus. Finalment , està ple de silicona continguda en fòsfor per completar el mòdul COB de doble color tal com es mostra a la Fig.4.
Fig.4 CSP de colors càlids i COB de xip flip blau (estructura 3-desenvolupament ShineOn)
En comparació amb l'Estructura 3, l'Estructura 1 té tres desavantatges:
(a) La barreja de colors entre les diferents fonts de llum CSP en diferents CCT no és uniforme a causa de la segregació de silicona fòsfor causada pels xips de les fonts de llum CSP;
(b) La font de llum CSP es fa malbé fàcilment amb un toc físic;
(c) El buit de cada font de llum CSP és fàcil per atrapar la pols per provocar una reducció del lumen COB;
Structure2 també té els seus inconvenients:
(a) Dificultat en el control del procés de fabricació i el control CIE;
( b ) La barreja de colors entre les diferents seccions CCT no és uniforme, especialment per al patró de camp proper.
La figura 5 compara les làmpades MR 16 construïdes amb la font de llum de l'Estructura 3 (esquerra) i l'Estructura 1 (dreta).A la imatge, podem trobar que l'Estructura 1 té una ombra clara al centre de l'àrea d'emissió, mentre que la distribució de la intensitat lluminosa de l'Estructura 3 és més uniforme.
Aplicacions
En el nostre enfocament que utilitza l'Estructura 3, hi ha dos dissenys de circuits diferents per a l'ajust del color de la llum i la brillantor.En un circuit d'un sol canal que té un requisit de controlador senzill, la cadena CSP blanca i la cadena blava de xip es connecten en paral·lel. Hi ha una resistència fixa a la cadena CSP.Amb la resistència, el corrent de conducció es divideix entre els CSP i els xips blaus, donant lloc al canvi del color i la brillantor. Els resultats detallats de l'ajust es mostren a la Taula 1 i la Figura 6. La corba d'ajust del color dels circuits d'un sol canal es mostra a la Figura 7.El CCT augmenta el corrent de conducció.Hem realitzat dos comportaments d'afinació, un que emula la bombeta halògena convencional i l'altre més lineal.El rang CCT ajustable és de 1800K a 3000K.
Taula 1.Canvi de flux i CCT amb el corrent de conducció de ShineOn monocanal COB Model 12SA
Fig. 7 Sintonització CCT juntament amb corba de cos negre amb corrent de conducció al COB (7a) controlat per circuit d'un sol canal i els dos
comportaments de sintonització amb luminància relativa en referència a la làmpada halògena (7b)
L'altre disseny utilitza un circuit de doble canal on la disposició ajustable CCT és més ample que el circuit d'un sol canal. La corda CSP i la corda blava de xip giratori estan separades elèctricament al substrat i, per tant, requereix una font d'alimentació especial. El color i la brillantor estan ajustats per conduir els dos circuits al nivell i relació de corrent desitjats.Es pot ajustar de 3000k a 5700Ka, com es mostra a la figura 8 del model COB de doble canal ShineOn 20DA. La taula 2 mostra el resultat detallat de l'ajust que pot simular de prop el canvi de llum diürna del matí al vespre. Combinant l'ús del sensor d'ocupació i el control circuits, aquesta font de llum ajustable ajuda a augmentar l'exposició a la llum blava durant el dia i reduir l'exposició a la llum blava durant la nit, afavorint el benestar de les persones i el rendiment humà, així com les funcions d'il·luminació intel·ligent.
Resum
Els mòduls LED ajustables es van desenvolupar combinant
paquets d'escala de xip (CSP) i tecnologia de xip a bord (COB).El CSPs i el xip blau s'integren en un tauler COB per aconseguir una alta densitat de potència i uniformitat de color, l'estructura de doble canal s'utilitza per aconseguir una sintonització CCT més àmplia en aplicacions com la il·luminació comercial.L'estructura d'un sol canal s'utilitza per aconseguir una funció tènue a càlida que emula la làmpada halògena en aplicacions com ara la llar i l'hostaleria.
978-1-5386-4851-3/17/$31.00 02017 IEEE
Reconeixement
Els autors volen agrair el finançament de The National Key Research and Development
Programa de la Xina (núm. 2016YFB0403900).A més, el suport dels col·legues de ShineOn (Beijing)
Technology Co, també és agraït.
Referències
[1] Han, N., Wu, Y.-H.i Tang, Y, "Recerca del dispositiu KNX
Node i desenvolupament basat en el mòdul d'interfície de bus", 29th Chinese Control Conference (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. i 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. i 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. i Steen haut, K.,
“Coexistence with WiFi for a Home Automation ZigBee Product”， IEEE 19th Symposium on Communications and Vehicular Technology in the Benelux (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ， Wu, QX i Huang, YW, "Sistema de lectura automàtica de comptadors basat en la comunicació de línia elèctrica de LonWorks", Conferència internacional sobre tecnologia i innovació (ITIC 2009), 2009,1-5.
[6] Ellis, EV, Gonzalez, EW, et al, "Auto-tuning Daylight with LEDs: Sustainable Lighting for Health and Wellbeing", Actes de la conferència de recerca de primavera de 2013 de l'ARCC, març de 2013
[7] Llibre blanc del Lighting Science Group, "Lighting: the Way to Health& Productivity", 25 d'abril de 2016.
[8] Figueiro,MG,Bullough, JD, et al, "Evidència preliminar d'un canvi en la sensibilitat espectral del sistema circadià a la nit", Journal of Circadian Rhythms 3:14.febrer 2005.
[9]Inanici, M, Brennan, M, Clark, E, "Spectral Daylighting".
Simulations: Computing Circadian Light", 14th Conference of International Building Performance Simulation Association, Hyderabad, Índia, desembre de 2015.