Moduli LED sintonizzabili basati su CSP-COB
Astratto: La ricerca ha indicato la correlazione tra il colore delle sorgenti luminose e il ciclo circadiano umano. La regolazione del colore in base alle esigenze ambientali è diventata sempre più importante nelle applicazioni di illuminazione di alta qualità. Uno spettro di luce perfetto dovrebbe mostrare qualità più vicine alla luce solare con un CRI elevato, ma è idealmente in sintonia con la sensibilità umana.Una luce incentrata sull'uomo (HCL) deve essere progettata in base ai cambiamenti ambientali come strutture multiuso, aule scolastiche, assistenza sanitaria e per creare atmosfera ed estetica.I moduli LED sintonizzabili sono stati sviluppati combinando la tecnologia chip scale package (CSP) e chip on board (COB).I CSP sono integrati su una scheda COB per ottenere un'elevata densità di potenza e uniformità del colore, aggiungendo al contempo una nuova funzione di regolazione del colore. La sorgente luminosa risultante può essere regolata continuamente da un'illuminazione colorata brillante e più fredda durante il giorno a un'illuminazione più fioca e più calda la sera, Questo documento descrive in dettaglio la progettazione, il processo e le prestazioni dei moduli LED e la loro applicazione nelle luci da incasso e a sospensione a LED con regolazione della temperatura.
Parole chiave:HCL, ritmi circadiani, LED sintonizzabile, doppio CCT, attenuazione calda, CRI
introduzione
Il LED come lo conosciamo esiste da oltre 50 anni.Il recente sviluppo dei LED bianchi è ciò che li ha portati alla ribalta come sostituti di altre fonti di luce bianca. Rispetto alle fonti di luce tradizionali, i LED non solo presentano i vantaggi del risparmio energetico e della lunga durata, ma aprono anche le porte a nuova flessibilità di progettazione per la digitalizzazione e la regolazione del colore. Esistono due modi principali per produrre diodi a emissione di luce bianca (WLED) che generano luce bianca ad alta intensità. Uno consiste nell'utilizzare singoli LED che emettono tre colori primari: rosso, verde e blu —e poi mescolare tre colori per formare la luce bianca. L'altro è usare materiali al fosforo per convertire la luce LED monocromatica blu o viola in luce bianca ad ampio spettro, più o meno allo stesso modo in cui funziona una lampadina fluorescente. È importante notare che il "candore" della luce prodotta è essenzialmente progettato per adattarsi all'occhio umano e, a seconda della situazione, potrebbe non essere sempre appropriato considerarlo come luce bianca.
L'illuminazione intelligente è oggigiorno un'area chiave nell'edilizia intelligente e nella città intelligente. Un numero crescente di produttori partecipa alla progettazione e all'installazione di illuminazione intelligente nelle nuove costruzioni. La conseguenza è che un'enorme quantità di modelli di comunicazione è implementata in diverse marche di prodotti ，come KNx) BACnetP',DALI,ZigBee-ZHAZBA',PLC-Lonworks, ecc. Un problema critico in tutti questi prodotti è che non possono interagire tra loro (ovvero, bassa compatibilità ed estensibilità).
Gli apparecchi di illuminazione a LED in grado di fornire diversi colori di luce sono presenti sul mercato dell'illuminazione architettonica sin dagli albori dell'illuminazione a stato solido (SSL). Tuttavia, l'illuminazione con regolazione del colore rimane un lavoro in corso e richiede una certa quantità di compiti da parte del produttore. specificato se l'installazione deve avere esito positivo.Esistono tre categorie base di tipi di regolazione del colore negli apparecchi di illuminazione a LED: regolazione del bianco, regolazione della luminosità e regolazione del colore completo. Tutte e tre le categorie possono essere controllate da un trasmettitore wireless utilizzando Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth o altri protocolli e sono cablati per costruire energia. Grazie a queste opzioni, il LED fornisce possibili soluzioni per cambiare colore o CCT per soddisfare i ritmi circadiani umani.
Ritmi circadiani
Piante e animali mostrano modelli di cambiamenti comportamentali e fisiologici nell'arco di un ciclo di circa 24 ore che si ripetono nei giorni successivi: questi sono ritmi circadiani. I ritmi circadiani sono influenzati da ritmi esogeni ed endogeni.
Il ritmo circadiano è controllato dalla melatonina, uno dei principali ormoni prodotti nel cervello.E induce anche sonnolenza. I recettori della melanopsina impostano la fase circadiana con la luce blu al risveglio, interrompendo la produzione di melatonina. L'esposizione alle stesse lunghezze d'onda blu della luce la sera interferirà con il sonno e interromperà il ritmo circadiano. La desincronizzazione circadiana impedisce al corpo di entrare pienamente nelle varie fasi del sonno, che è un momento critico e rigenerante per il corpo umano. Inoltre, l'impatto dell'interruzione circadiana si estende oltre la consapevolezza durante il giorno e il sonno durante la notte.
I ritmi biologici negli esseri umani possono essere misurati in diversi modi, solitamente il ciclo sonno/veglia, la temperatura corporea interna, la concentrazione di melatonina, la concentrazione di cortisolo e la concentrazione di alfa amilasi8. Ma la luce è il principale sincronizzatore dei ritmi circadiani rispetto alla posizione locale sulla terra, perché il l'intensità della luce, la distribuzione dello spettro, i tempi e la durata possono influenzare il sistema circadiano umano. Ciò influisce anche sull'orologio interno quotidiano.Il tempo di esposizione alla luce può far avanzare o ritardare l'orologio interno. I ritmi circadiani influenzeranno le prestazioni umane, il comfort, ecc. Il sistema circadiano umano è più sensibile alla luce a 460 nm (regione blu dello spettro visibile), mentre il sistema visivo è più sensibile a 555 nm (regione verde).Quindi come utilizzare la CCT sintonizzabile e l'intensità per migliorare la qualità della vita sta diventando sempre più importante.I LED sintonizzabili a colori con sistema di rilevamento e controllo integrato possono essere sviluppati per soddisfare requisiti di illuminazione salutari e ad alte prestazioni .
Fig.1 La luce ha un duplice effetto sul profilo della melatonina nelle 24 ore, effetto acuto ed effetto Phase-Shifting.
Progettazione della confezione
Quando si regola la luminosità delle lampade alogene convenzionali
lampada, il colore verrà cambiato.Tuttavia, i LED convenzionali non sono in grado di regolare la temperatura del colore mentre si cambia la luminosità, emulando lo stesso cambiamento di alcune luci convenzionali.Nei primi giorni, molte lampadine utilizzavano led con diversi LED CCT combinati sulla scheda PCB
cambiare il colore dell'illuminazione modificando la corrente di guida.È necessario un design complesso del modulo di illuminazione del circuito per controllare la CCT, il che non è un compito facile per il produttore di apparecchi di illuminazione. Con l'avanzare della progettazione illuminotecnica, gli apparecchi di illuminazione compatti come faretti e downlight richiedono moduli LED di piccole dimensioni e ad alta densità. soddisfare sia i requisiti di regolazione del colore che quelli di sorgente luminosa compatta, i COB a colori sintonizzabili compaiono sul mercato.
Esistono tre strutture di base dei tipi di regolazione del colore, la prima utilizza il caldo CCT CSP e il freddo CCT CsP bonding direttamente sulla scheda PCB, come illustrato nella Figura 2. Il secondo tipo COB sintonizzabile con LES riempito con più strisce di diversi fosfori CCT siliconicome mostrato in Figura
3. In questo lavoro, si adotta un terzo approccio mescolando LED CCT CSP caldi con flip-chip blu e saldandoli strettamente fissati su un substrato. Quindi viene distribuita una diga in silicone riflettente bianco per circondare i CSP bianco caldo e i flip-chip blu. Infine , è riempito con silicone contenente fosforo per completare il modulo COB bicolore come mostrato in Fig.4.
Fig.4 CSP colore caldo e COB flip chip blu (Struttura 3- Sviluppo ShineOn)
Rispetto alla Struttura 3, la Struttura 1 presenta tre svantaggi:
(a) La miscelazione dei colori tra le diverse sorgenti luminose CSP in diverse CCT non è uniforme a causa della segregazione del silicone fosforoso causata dai chip delle sorgenti luminose CSP;
(b) La sorgente luminosa CSP si danneggia facilmente con un tocco fisico;
(c) Lo spazio tra ciascuna sorgente luminosa CSP è facile da intrappolare la polvere e causare una riduzione del lume del COB;
Anche Structure2 ha i suoi svantaggi:
(a) Difficoltà nel controllo del processo produttivo e nel controllo CIE;
(b) La miscelazione dei colori tra le diverse sezioni CCT non è uniforme, specialmente per il modello di campo vicino.
La Figura 5 confronta le lampade MR 16 costruite con la sorgente luminosa della Struttura 3 (a sinistra) e della Struttura 1 (a destra).Dall'immagine, possiamo notare che la Struttura 1 ha una tonalità chiara al centro dell'area di emissione, mentre la distribuzione dell'intensità luminosa della Struttura 3 è più uniforme.
Applicazioni
Nel nostro approccio che utilizza la Struttura 3, ci sono due diversi progetti di circuiti per la regolazione del colore della luce e della luminosità.In un circuito a canale singolo che ha un semplice requisito di driver, la stringa CSP bianca e la stringa flip-chip blu sono collegate in parallelo. Nella stringa CSP è presente un resistore fisso.Con il resistore, la corrente di pilotaggio viene divisa tra CSP e blue chip con conseguente modifica del colore e della luminosità. I risultati dettagliati della regolazione sono mostrati nella Tabella 1 e nella Figura 6. La curva di regolazione del colore del circuito a canale singolo è mostrata nella Figura 7.La CCT aumenta all'aumentare della corrente di guida.Abbiamo realizzato due comportamenti di sintonizzazione: uno emula la lampadina alogena convenzionale e l'altro una sintonizzazione più lineare.L'intervallo CCT sintonizzabile va da 1800K a 3000K.
Tabella 1.Cambiamento di flusso e CCT con la corrente di pilotaggio del modello COB ShineOn a canale singolo 12SA
Fig.7 Sintonizzazione CCT insieme alla curva del corpo nero con corrente di pilotaggio nel COB (7a) controllato da circuito a canale singolo e i due
comportamenti di tuning con relativa luminanza in riferimento alla lampada alogena(7b)
L'altro design utilizza un circuito a doppio canale in cui la disposizione sintonizzabile CCT è più ampia del circuito a canale singolo. La stringa CSP e la stringa flip-chip blu sono separate elettricamente sul substrato e quindi richiedono un'alimentazione speciale. Il colore e la luminosità sono sintonizzati da pilotando i due circuiti al livello e al rapporto di corrente desiderati.Può essere sintonizzato da 3000k a 5700Ka, come mostrato nella Figura 8 del modello COB a doppio canale ShineOn 20DA. La tabella 2 elenca i risultati dettagliati della sintonizzazione che possono simulare fedelmente il cambiamento della luce diurna dalla mattina alla sera. Combinando l'uso del sensore di presenza e del controllo circuiti, questa sorgente luminosa regolabile aiuta ad aumentare l'esposizione alla luce blu durante il giorno e a ridurre l'esposizione alla luce blu durante la notte, promuovendo il benessere delle persone e le prestazioni umane, nonché le funzioni di illuminazione intelligente.
Riepilogo
I moduli LED sintonizzabili sono stati sviluppati combinando
tecnologia chip scale packages (CSP) e chip on board (COB).CSP e flip chip blu sono integrati su una scheda COB per ottenere un'elevata densità di potenza e uniformità del colore, la struttura a doppio canale viene utilizzata per ottenere una sintonizzazione CCT più ampia in applicazioni come l'illuminazione commerciale.La struttura a canale singolo viene utilizzata per ottenere la funzione di attenuazione-riscaldamento che emula la lampada alogena in applicazioni come la casa e l'ospitalità.
978-1-5386-4851-3/17/$31,00 02017 IEEE
Riconoscimento
Gli autori desiderano riconoscere il finanziamento da parte del National Key Research and Development
Programma della Cina (n. 2016YFB0403900).Inoltre, il supporto dei colleghi di ShineOn (Pechino)
Anche Technology Co viene ringraziata con gratitudine.
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