Abstimmbare LED-Module basierend auf CSP-COB
Abstrakt: Untersuchungen haben den Zusammenhang zwischen der Farbe von Lichtquellen und dem zirkadianen Zyklus des Menschen aufgezeigt. Die Farbabstimmung auf die Anforderungen der Umgebung wird bei hochwertigen Beleuchtungsanwendungen immer wichtiger. Ein perfektes Lichtspektrum sollte Eigenschaften aufweisen, die dem Sonnenlicht mit einem hohen CRI am nächsten kommen, ist aber ideal auf die menschliche Sensibilität abgestimmt.Ein Human Centric Light (HCL) muss entsprechend der sich verändernden Umgebung wie Mehrzweckeinrichtungen, Klassenzimmern und dem Gesundheitswesen entwickelt werden und um Atmosphäre und Ästhetik zu schaffen.Abstimmbare LED-Module wurden durch die Kombination von Chip-Scale-Packages (CSP) und Chip-on-Board-Technologie (COB) entwickelt.CSPs sind auf einer COB-Platine integriert, um eine hohe Leistungsdichte und Farbgleichmäßigkeit zu erreichen und gleichzeitig eine neue Funktion der Farbabstimmbarkeit hinzuzufügen. Die resultierende Lichtquelle kann kontinuierlich von heller, kühlerer Farbbeleuchtung während des Tages auf gedämpftes, wärmeres Licht am Abend abgestimmt werden. In diesem Artikel werden das Design, der Prozess und die Leistung der LED-Module sowie ihre Anwendung in warmdimmenden LED-Downlights und Pendelleuchten detailliert beschrieben.
Schlüsselwörter:HCL, zirkadiane Rhythmen, abstimmbare LED, Dual-CCT, warmes Dimmen, CRI
Einführung
Die LED, wie wir sie kennen, gibt es schon seit über 50 Jahren.Die jüngste Entwicklung weißer LEDs hat sie als Ersatz für andere weiße Lichtquellen in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt. Im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen bietet LED nicht nur die Vorteile von Energieeinsparung und langer Lebensdauer, sondern öffnet auch die Tür zu Neue Designflexibilität für Digitalisierung und Farbabstimmung. Es gibt zwei Hauptmethoden zur Herstellung weißer Leuchtdioden (WLEDs), die hochintensives weißes Licht erzeugen. Eine besteht darin, einzelne LEDs zu verwenden, die drei Primärfarben ausstrahlen: Rot, Grün und Blau – und dann drei Farben mischen, um weißes Licht zu erzeugen. Die andere besteht darin, Phosphormaterialien zu verwenden, um monochromatisches blaues oder violettes LED-Licht in weißes Licht mit breitem Spektrum umzuwandeln, ähnlich wie eine Leuchtstofflampe funktioniert. Das ist wichtig zu beachten dass die „Weißheit“ des erzeugten Lichts im Wesentlichen auf das menschliche Auge abgestimmt ist und es je nach Situation möglicherweise nicht immer angemessen ist, es als weißes Licht zu betrachten.
Intelligente Beleuchtung ist heutzutage ein Schlüsselbereich im Smart Building und in der Smart City. Immer mehr Hersteller beteiligen sich an der Entwicklung und Installation intelligenter Beleuchtung in Neubauten. Die Folge ist, dass eine Vielzahl von Kommunikationsmustern in Produkten verschiedener Marken implementiert sind (z. B. KNx) BACnetP', DALI, ZigBee-ZHAZBA', PLC-Lonworks usw. Ein kritisches Problem bei all diesen Produkten besteht darin, dass sie nicht miteinander interagieren können (d. h. geringe Kompatibilität und Erweiterbarkeit).
LED-Leuchten mit der Fähigkeit, unterschiedliche Lichtfarben zu liefern, gibt es seit den Anfängen der Festkörperbeleuchtung (SSL) auf dem Markt für Architekturbeleuchtung. Farbabstimmbare Beleuchtung ist jedoch noch in Arbeit und erfordert ein gewisses Maß an Hausaufgaben Bezeichner, wenn die Installation erfolgreich sein soll.Es gibt drei grundlegende Kategorien von Farbabstimmungsarten bei LED-Leuchten: Weißabstimmung, Dim-to-Warm und Vollfarbabstimmung. Alle drei Kategorien können von einem drahtlosen Sender über Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth oder gesteuert werden andere Protokolle, und sind fest mit dem Aufbau von Strom verbunden. Aufgrund dieser Optionen bietet LED mögliche Lösungen zum Ändern der Farbe oder des CCT, um den menschlichen zirkadianen Rhythmen gerecht zu werden.
Tagesrhythmus
Pflanzen und Tiere zeigen Muster von Verhaltens- und physiologischen Veränderungen über einen Zyklus von etwa 24 Stunden, die sich über aufeinanderfolgende Tage wiederholen – das sind zirkadiane Rhythmen. Zirkadiane Rhythmen werden durch exogene und endogene Rhythmen beeinflusst.
Der zirkadiane Rhythmus wird durch Melatonin gesteuert, eines der wichtigsten Hormone, die im Gehirn produziert werden.Und es induziert auch Schläfrigkeit. Melanopsinrezeptoren stellen die zirkadiane Phase mit blauem Licht beim Aufwachen ein, indem sie die Melatoninproduktion stoppen Sie treten vollständig in die verschiedenen Schlafphasen ein, die eine entscheidende Erholungszeit für den menschlichen Körper darstellen. Darüber hinaus gehen die Auswirkungen der zirkadianen Störung über die Achtsamkeit am Tag und den Schlaf in der Nacht hinaus.
Die biologischen Rhythmen beim Menschen können normalerweise auf verschiedene Weise gemessen werden: Schlaf-/Wachzyklus, Körperkerntemperatur, Melatoninkonzentration, Cortisolkonzentration und Alpha-Amylase-Konzentration8. Aber Licht ist der primäre Synchronisator der zirkadianen Rhythmen mit der lokalen Position auf der Erde, weil die Lichtintensität, Spektrumverteilung, Zeitpunkt und Dauer können das zirkadiane System des Menschen beeinflussen. Dies wirkt sich auch auf die tägliche innere Uhr aus.Die Zeit der Lichteinwirkung kann die innere Uhr entweder vor- oder zurückstellen. Der zirkadiane Rhythmus beeinflusst die Leistung und das Wohlbefinden des Menschen usw. Das menschliche zirkadiane System reagiert am empfindlichsten auf Licht bei 460 nm (blauer Bereich des sichtbaren Spektrums), während das visuelle System am empfindlichsten ist bis 555 nm (grüner Bereich). Daher wird es immer wichtiger, die abstimmbare CCT und Intensität zur Verbesserung der Lebensqualität zu nutzen. Farbabstimmbare LEDs mit integriertem Sensor- und Steuerungssystem können entwickelt werden, um solch hohe Leistungs- und gesunde Beleuchtungsanforderungen zu erfüllen .
Abb.1 Licht hat eine doppelte Wirkung auf das 24-Stunden-Melatoninprofil: eine akute Wirkung und eine phasenverschiebende Wirkung.
Paketdesign
Wenn Sie die Helligkeit von herkömmlichem Halogen anpassen
Lampe, die Farbe wird geändert.Herkömmliche LEDs sind jedoch nicht in der Lage, die Farbtemperatur anzupassen und gleichzeitig die Helligkeit zu ändern, wodurch die gleichen Änderungen wie bei einigen herkömmlichen Beleuchtungen nachgeahmt werden.Früher verwendeten viele Glühbirnen LEDs mit unterschiedlichen CCT-LEDs, die auf der Leiterplatte kombiniert waren
Ändern Sie die Beleuchtungsfarbe, indem Sie den Antriebsstrom ändern.Zur Steuerung der CCT ist ein komplexes Schaltkreis-Lichtmoduldesign erforderlich, was für Leuchtenhersteller keine leichte Aufgabe ist. Mit der Weiterentwicklung des Lichtdesigns erfordern kompakte Beleuchtungskörper wie Strahler und Downlights kleine LED-Module mit hoher Dichte Um sowohl die Anforderungen an die Farbabstimmung als auch an eine kompakte Lichtquelle zu erfüllen, sind abstimmbare Farb-COBs auf dem Markt erhältlich.
Es gibt drei Grundstrukturen von Farbabstimmungsarten: Die erste nutzt die direkte Bindung von Warm-CCT-CSP und Kalt-CCT-CsP auf der Leiterplatte, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die zweite Art ist abstimmbares COB mit LES, das mit mehreren Streifen unterschiedlichen CCT-Leuchtstoffs gefüllt ist Silikone, wie in der Abbildung gezeigt
3. In dieser Arbeit besteht ein dritter Ansatz darin, warme CCT-CSP-LEDs mit blauen Flip-Chips zu mischen und fest auf einem Substrat zu verlöten. Anschließend wird ein weißer, reflektierender Silikondamm aufgetragen, um die warmweißen CSPs und blauen Flip-Chips zu umgeben. Schließlich Es ist mit leuchtstoffhaltigem Silikon gefüllt, um das zweifarbige COB-Modul zu vervollständigen, wie in Abb. 4 gezeigt.
Abb.4 CSP mit warmer Farbe und blauer Flip-Chip-COB (Struktur 3 – ShineOn-Entwicklung)
Im Vergleich zur Struktur 3 hat Struktur 1 drei Nachteile:
(a) Die Farbmischung zwischen den verschiedenen CSP-Lichtquellen in verschiedenen CCTs ist aufgrund der durch die Chips der CSP-Lichtquellen verursachten Entmischung von Phosphorsilikon nicht gleichmäßig.
(b) Die CSP-Lichtquelle kann durch physische Berührung leicht beschädigt werden;
(c) Im Spalt jeder CSP-Lichtquelle kann sich leicht Staub ansammeln, was zu einer Reduzierung des COB-Lumens führt.
Struktur2 hat auch seine Nachteile:
(a) Schwierigkeiten bei der Kontrolle des Herstellungsprozesses und der CIE-Kontrolle;
(b) Die Farbmischung zwischen den verschiedenen CCT-Abschnitten ist nicht gleichmäßig, insbesondere für das Nahfeldmuster.
Abbildung 5 vergleicht MR 16-Lampen, die mit den Lichtquellen Struktur 3 (links) und Struktur 1 (rechts) gebaut wurden.Auf dem Bild können wir erkennen, dass die Struktur 1 einen hellen Farbton in der Mitte des emittierenden Bereichs aufweist, während die Lichtintensitätsverteilung der Struktur 3 gleichmäßiger ist.
Anwendungen
In unserem Ansatz mit Struktur 3 gibt es zwei unterschiedliche Schaltungsdesigns für die Lichtfarb- und Helligkeitsabstimmung.In einer einkanaligen Schaltung, die eine einfache Treiberanforderung erfordert, sind der weiße CSP-Strang und der blaue Flip-Chip-Strang parallel geschaltet. Im CSP-Strang befindet sich ein fester Widerstand.Mit dem Widerstand wird der Antriebsstrom zwischen CSPs und Blue Chips aufgeteilt, was zu einer Änderung der Farbe und Helligkeit führt. Die detaillierten Abstimmungsergebnisse sind in Tabelle 1 und Abbildung 6 dargestellt. Die Farbabstimmungskurve der Einkanalschaltung ist in Abbildung 7 dargestellt.Der CCT erhöht sich mit zunehmendem Antriebsstrom.Wir haben zwei Abstimmverhalten realisiert, wobei eines eine herkömmliche Halogenlampe emuliert und das andere eher linear abstimmt.Der einstellbare CCT-Bereich reicht von 1800 K bis 3000 K.
Tabelle 1.Fluss und CCT ändern sich mit dem Antriebsstrom des ShineOn-Einkanal-COB-Modells 12SA
Abb.7CCT-Abstimmung zusammen mit der Schwarzkörperkurve mit Antriebsstrom im einkanaligen, schaltungsgesteuerten COB(7a) und den beiden
Abstimmungsverhalten mit relativer Leuchtdichte in Bezug auf Halogenlampen (7b)
Das andere Design verwendet eine Zweikanalschaltung, bei der die abstimmbare CCT-Anordnung breiter ist als die Einkanalschaltung. Der CSP-Strang und der blaue Flip-Chip-Strang sind auf dem Substrat elektrisch getrennt und erfordern daher eine spezielle Stromversorgung. Die Farbe und Helligkeit werden durch abgestimmt Antreiben der beiden Stromkreise auf dem gewünschten Stromniveau und -verhältnis.Es kann von 3.000.000 bis 5.700 Kas abgestimmt werden, wie in Abbildung 8 des ShineOn-Zweikanal-COB-Modells 20DA dargestellt. In Tabelle 2 sind die detaillierten Abstimmungsergebnisse aufgeführt, die den Tageslichtwechsel von morgens bis abends genau simulieren können. Durch die Kombination von Anwesenheitssensor und Steuerung Schaltkreise: Diese abstimmbare Lichtquelle trägt dazu bei, die Belastung durch blaues Licht tagsüber zu erhöhen und die Belastung durch blaues Licht in der Nacht zu verringern. Dadurch werden das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit der Menschen sowie intelligente Beleuchtungsfunktionen gefördert.
Zusammenfassung
Durch die Kombination wurden abstimmbare LED-Module entwickelt
Chip-Scale-Packages (CSP) und Chip-on-Board-Technologie (COB).CSPs und Blue-Flip-Chip sind auf einer COB-Platine integriert, um eine hohe Leistungsdichte und Farbgleichmäßigkeit zu erreichen. Die Zweikanalstruktur wird verwendet, um eine breitere CCT-Abstimmung in Anwendungen wie kommerzieller Beleuchtung zu erreichen.Die Einkanalstruktur wird verwendet, um die Dimm-zu-Warm-Funktion zu erreichen, die eine Halogenlampe in Anwendungen wie Zuhause und Gastgewerbe emuliert.
978-1-5386-4851-3/17/$31,00 02017 IEEE
Wissen
Die Autoren möchten sich für die Finanzierung durch The National Key Research and Development bedanken
Programm von China (Nr. 2016YFB0403900).Zusätzlich Unterstützung durch die Kollegen von ShineOn (Peking)
Technology Co, wird ebenfalls dankbar gedankt.
Verweise
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