Afstembare LED-modules op basis van CSP-COB
Abstract: Onderzoek heeft de correlatie aangetoond tussen de kleur van lichtbronnen en de menselijke circadiane cyclus. Kleurafstemming op de omgevingsbehoeften is steeds belangrijker geworden bij verlichtingstoepassingen van hoge kwaliteit. Een perfect spectrum van licht zou kwaliteiten moeten vertonen die het dichtst bij zonlicht liggen met een hoge CRI, maar is idealiter afgestemd op de menselijke gevoeligheid.Een mensgericht licht (HCL) moet worden ontworpen in overeenstemming met de veranderende omgeving, zoals multifunctionele faciliteiten, klaslokalen, gezondheidszorg, en om sfeer en esthetiek te creëren.Afstembare LED-modules zijn ontwikkeld door chip-schaalpakketten (CSP) en chip-on-board-technologie (COB) te combineren.CSP's zijn geïntegreerd op een COB-bord om een hoge vermogensdichtheid en kleuruniformiteit te bereiken, terwijl er een nieuwe functie voor kleurafstemming wordt toegevoegd. De resulterende lichtbron kan continu worden afgestemd van helder, koeler gekleurd licht gedurende de dag tot zwakker en warmer licht in de avond. Dit artikel beschrijft het ontwerp, het proces en de prestaties van de LED-modules en de toepassing ervan in warmdimmende LED-downlights en hanglampen.
Trefwoorden:HCL, circadiane ritmes, afstembare LED, dubbele CCT, warm dimmen, CRI
Invoering
De LED zoals wij die kennen, bestaat al meer dan 50 jaar.De recente ontwikkeling van witte LED's heeft het onder de aandacht van het publiek gebracht als vervanging voor andere witte lichtbronnen. Vergeleken met de traditionele lichtbronnen biedt LED niet alleen de voordelen van energiebesparing en een lange levensduur, maar opent ook de deur naar nieuwe ontwerpflexibiliteit voor digitalisering en kleurafstemming. Er zijn twee primaire manieren om witte lichtgevende diodes (WLED's) te produceren die wit licht met hoge intensiteit genereren. Eén daarvan is het gebruik van individuele LED's die drie primaire kleuren uitstralen: rood, groen en blauw – en dan drie kleuren mengen om wit licht te vormen. De andere is het gebruik van fosformaterialen om monochromatisch blauw of violet LED-licht om te zetten in wit licht met een breed spectrum, ongeveer op dezelfde manier als een fluorescentielamp werkt. Het is belangrijk om op te merken dat de 'witheid' van het geproduceerde licht in wezen is ontworpen om bij het menselijk oog te passen, en afhankelijk van de situatie is het misschien niet altijd gepast om het als wit licht te beschouwen.
Slimme verlichting is tegenwoordig een sleutelgebied in het slimme gebouw en de slimme stad. Een toenemend aantal fabrikanten neemt deel aan het ontwerp en de installatie van slimme verlichting in nieuwe constructies. Het gevolg is dat een enorme hoeveelheid communicatiepatronen wordt geïmplementeerd in verschillende productmerken. ，zoals KNx) BACnetP',DALI,ZigBee-ZHAZBA',PLC-Lonworks, enz. Een cruciaal probleem bij al deze producten is dat ze niet met elkaar kunnen samenwerken (dat wil zeggen, lage compatibiliteit en uitbreidbaarheid).
LED-armaturen met de mogelijkheid om variërende lichtkleuren te leveren, zijn al sinds de begindagen van solid-state verlichting (SSL) op de markt voor architecturale verlichting aanwezig. Hoewel op kleur afstembare verlichting nog steeds werk in uitvoering is en een zekere hoeveelheid huiswerk vereist van de specificeert of de installatie succesvol moet zijn.Er zijn drie basiscategorieën van kleurafstemmingstypes in LED-armaturen: witafstemming, dim-naar-warm en full-color-afstemming. Alle drie de categorieën kunnen worden bestuurd door een draadloze zender met behulp van Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth of andere protocollen, en zijn vastbesloten om stroom op te bouwen. Vanwege deze opties biedt LED mogelijke oplossingen om van kleur of CCT te veranderen om aan het menselijke circadiaanse ritme te voldoen.
Circadiaanse ritmes
Planten en dieren vertonen patronen van gedrags- en fysiologische veranderingen gedurende een cyclus van ongeveer 24 uur die zich gedurende opeenvolgende dagen herhalen - dit zijn circadiane ritmes. Circadiaanse ritmes worden beïnvloed door exogene en endogene ritmes.
Het circadiane ritme wordt gecontroleerd door melatonine, een van de belangrijkste hormonen die in de hersenen worden geproduceerd.En het veroorzaakt ook slaperigheid. Melanopsinereceptoren zetten de circadiane fase in met blauw licht bij het ontwaken door de melatonineproductie af te sluiten. Blootstelling aan dezelfde blauwe golflengten van licht in de avond zal de slaap verstoren en het circadiane ritme verstoren. Circadiane desynchronisatie verhindert dat het lichaam dat doet. het volledig ingaan van de verschillende fasen van de slaap, wat een cruciale herstellende tijd is voor het menselijk lichaam. Bovendien reikt de impact van circadiane verstoring verder dan mindfulness overdag en slaap 's nachts.
De biologische ritmes bij mensen kunnen gewoonlijk op verschillende manieren worden gemeten: slaap-waakcyclus, kernlichaamstemperatuur, melatonconcentratie, cortisolconcentratie en alfa-amylaseconcentratie8. Maar licht is de belangrijkste synchronisator van circadiaanse ritmes met de lokale positie op aarde, omdat de lichtintensiteit, spectrumverdeling, timing en duur kunnen het menselijke circadiane systeem beïnvloeden. Dat heeft ook invloed op de dagelijkse interne klok.De tijd van blootstelling aan licht kan de interne klok vooruit of vertragen. De circadiane ritmes zullen de prestaties en het comfort van de mens beïnvloeden, enz. Het menselijke circadiane systeem is het meest gevoelig voor licht op 460 nm (blauwe gebied van het zichtbare spectrum), terwijl het visuele systeem het meest gevoelig is. Het wordt dus steeds belangrijker om de afstembare CCT en intensiteit te gebruiken om de kwaliteit van leven te verbeteren. In kleur afstembare LED's met geïntegreerd detectie- en controlesysteem kunnen worden ontwikkeld om aan zulke hoge prestatie-, gezonde verlichtingsvereisten te voldoen .
Fig.1 Licht heeft een dubbel effect op het 24-uurs melatonineprofiel: een acuut effect en een faseverschuivend effect.
Pakketontwerp
Wanneer u de helderheid van conventioneel halogeen aanpast
lamp, de kleur zal worden veranderd.Conventionele LED's zijn echter niet in staat de kleurtemperatuur af te stemmen terwijl ze de helderheid veranderen, waardoor dezelfde verandering als sommige conventionele verlichting wordt nagebootst.Vroeger gebruikten veel lampen led met verschillende CCT-LED's gecombineerd op de printplaat
verander de kleur van de verlichting door de rijstroom te veranderen.Er is een complex lichtmoduleontwerp nodig om CCT te besturen, wat geen gemakkelijke taak is voor de armatuurfabrikant. Naarmate het verlichtingsontwerp vordert, vraagt het compacte verlichtingsarmatuur, zoals spotlichten en downlights, om kleine LED-modules met hoge dichtheid. voldoen aan zowel kleurafstemming als compacte lichtbronvereisten, afstembare kleur-COB's verschijnen op de markt.
Er zijn drie basisstructuren voor kleurafstemmingstypen, de eerste gebruikt de warme CCT CSP en koele CCT CsP-binding rechtstreeks op de printplaat, zoals geïllustreerd in figuur 2. Het tweede type afstembare COB met LES gevuld met meerdere strepen van verschillende CCT-fosfor siliconen zoals weergegeven in figuur
3. In dit werk wordt voor een derde benadering gekozen door warme CCT CSP-LED's te mengen met blauwe flip-chips en deze nauw op een substraat te solderen. Vervolgens wordt een witte reflecterende siliconendam aangebracht om de warmwitte CSP's en blauwe flip-chips te omringen. Deze is gevuld met fosforhoudende siliconen om de tweekleurige COB-module te voltooien, zoals weergegeven in figuur 4.
Fig.4 CSP met warme kleuren en blauwe flip-chip COB (structuur 3 - ShineOn-ontwikkeling)
Vergeleken met Structuur 3 heeft Structuur 1 drie nadelen:
(a) Kleurmenging tussen de verschillende CSP-lichtbronnen in verschillende CCT's is niet uniform vanwege de segregatie van fosforsiliconen veroorzaakt door de chips van de CSP-lichtbronnen;
(b) De CSP-lichtbron raakt gemakkelijk beschadigd door fysieke aanraking;
(c) Door de opening van elke CSP-lichtbron kan het stof gemakkelijk worden opgevangen om COB-lumenreductie te veroorzaken;
Structure2 heeft ook zijn nadelen:
(a) Moeilijkheden bij de controle van het productieproces en de CIE-controle;
(b) De kleurmenging tussen de verschillende CCT-secties is niet uniform, vooral niet voor het nabije veldpatroon.
Figuur 5 vergelijkt MR 16-lampen gebouwd met lichtbron van structuur 3 (links) en structuur 1 (rechts).Op de foto kunnen we zien dat Structuur 1 een lichte tint heeft in het midden van het emitterende gebied, terwijl de verdeling van de lichtintensiteit van Structuur 3 uniformer is.
Toepassingen
In onze benadering met behulp van Structuur 3 zijn er twee verschillende circuitontwerpen voor de lichtkleur en helderheidsafstemming.In een eenkanaalscircuit met een eenvoudige driververeiste zijn de witte CSP-string en de blauwe flip-chip-string parallel geschakeld. Er zit een vaste weerstand in de CSP-string.Met de weerstand wordt de stuurstroom verdeeld tussen CSP's en blue chips, resulterend in een verandering van kleur en helderheid. De gedetailleerde afstemmingsresultaten worden weergegeven in Tabel 1 en Figuur 6. De kleurafstemmingscurve van een eenkanaalscircuit wordt weergegeven in Figuur 7.De CCT neemt toe naarmate de aandrijfstroom toeneemt.We hebben twee afstemmingsgedragingen gerealiseerd, waarbij de ene een conventionele halogeenlamp emuleert en de andere een meer lineaire afstemming heeft.Het instelbare CCT-bereik loopt van 1800K tot 3000K.
Tafel 1.Flux- en CCT-verandering met aandrijfstroom van ShineOn eenkanaals COB Model 12SA
Fig.7CCT-afstemming samen met blackbody-curve met stuurstroom in de eenkanaals circuitgestuurde COB (7a) en de twee
afstemmingsgedrag met relatieve luminantie met betrekking tot halogeenlamp(7b)
Het andere ontwerp maakt gebruik van een tweekanaals circuit waarbij de CCT-afstembare opstelling breder is dan het enkelkanaalscircuit. De CSP-snaar en de blauwe flip-chip-snaar zijn elektrisch gescheiden op het substraat en vereisen daarom een speciale voeding. De kleur en helderheid worden afgestemd door het aansturen van de twee circuits op het gewenste stroomniveau en de gewenste verhouding.Het kan worden afgestemd van 3000k tot 5700Kas, weergegeven in figuur 8 van ShineOn tweekanaals COB-model 20DA. Tabel 2 vermeldt het gedetailleerde afstemmingsresultaat dat de verandering van daglicht van 's morgens tot' s avonds nauwkeurig kan simuleren. Door het gebruik van een aanwezigheidssensor en bediening te combineren circuits, deze afstembare lichtbron helpt de blootstelling aan blauw licht overdag te verhogen en de blootstelling aan blauw licht 's nachts te verminderen, waardoor het welzijn en de menselijke prestaties van mensen worden bevorderd, evenals slimme verlichtingsfuncties.
Samenvatting
Afstembare LED-modules zijn ontwikkeld door te combineren
chip scale pakketten (CSP) en chip on board (COB) technologie.CSP's en Blue Flip-chip zijn geïntegreerd op een COB-bord om een hoge vermogensdichtheid en kleuruniformiteit te bereiken. De tweekanaalsstructuur wordt gebruikt om bredere CCT-afstemming te bereiken in toepassingen zoals commerciële verlichting.De eenkanaalsstructuur wordt gebruikt om de dim-to-warm-functie te bereiken, waarbij een halogeenlamp wordt nagebootst in toepassingen zoals thuis en in de horeca.
978-1-5386-4851-3/17/$31,00 02017 IEEE
Erkenning
De auteurs willen graag de financiering van The National Key Research and Development erkennen
Programma van China (nr. 2016YFB0403900).Daarnaast ondersteuning van de collega’s van ShineOn (Beijing)
Technology Co, wordt ook dankbaar erkend.
Referenties
[1] Han, N., Wu, Y.-H.en Tang, Y,"Onderzoek naar KNX-apparaat
Knooppunt en ontwikkeling gebaseerd op de businterfacemodule", 29e Chinese Controleconferentie (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. en Hong, SH, "Een nieuw voorstel voor een netwerkbeheersysteem voor BACnet en zijn referentiemodel", 8e IEEE Internationale Conferentie over Industriële Informatica (INDIN), 2010, 28-33.
[3]Wohlers I, Andonov R. en Klau GW, “DALIX: Optimale DALI Protein Structure Alignment”, IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10, 26-36.
[4] Dominguez, F, Touhafi, A., Tiete, J. en Steen haut, K.,
“Coëxistentie met WiFi voor een ZigBee-product voor thuisautomatisering”, IEEE 19e symposium over communicatie en voertuigtechnologie in de Benelux (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ, Wu, QX en Huang, YW, "Automatisch meteruitleessysteem gebaseerd op Power Line Communication of LonWorks", Internationale conferentie over technologie en innovatie (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, maart 2013
[7] Witboek Lighting Science Group, "Verlichting: de weg naar gezondheid en productiviteit", 25 april 2016.
[8] Figueiro,MG,Bullough, JD, et al., "Voorlopig bewijs voor een verandering in de spectrale gevoeligheid van het circadiane systeem 's nachts", Journal of Circadian Rhythms 3:14.Februari 2005.
[9]Inanici, M,Brennan,M, Clark, E,"Spectrale daglichttoetreding
Simulaties: Computing Circadian Light", 14e conferentie van de International Building Performance Simulation Association, Hyderabad, India, december 2015.