Módulos LED sintonizables basados en CSP-COB
Abstracto: Las investigaciones han indicado la correlación entre el color de las fuentes de luz y el ciclo circadiano humano. La adaptación del color a las necesidades ambientales se ha vuelto cada vez más importante en aplicaciones de iluminación de alta calidad. Un espectro de luz perfecto debe exhibir cualidades más cercanas a la luz solar con un IRC alto, pero lo ideal es en sintonía con la sensibilidad humana.Una luz centrada en el ser humano (HCL) debe diseñarse de acuerdo con el entorno cambiante, como instalaciones de usos múltiples, aulas, atención médica, y para crear ambiente y estética.Los módulos LED sintonizables se desarrollaron combinando paquetes de escala de chip (CSP) y tecnología de chip integrado (COB).Los CSP están integrados en una placa COB para lograr una alta densidad de potencia y uniformidad de color, al tiempo que agregan una nueva función de sintonización de color. La fuente de luz resultante se puede sintonizar continuamente desde una iluminación de colores brillantes y más fríos durante el día hasta una iluminación más tenue y cálida por la noche. Este artículo detalla el diseño, el proceso y el rendimiento de los módulos LED y su aplicación en luces empotradas y colgantes LED con atenuación cálida.
Palabras clave:HCL, ritmos circadianos, LED sintonizable, CCT dual, atenuación cálida, CRI
Introducción
El LED tal como lo conocemos existe desde hace más de 50 años.El reciente desarrollo de los LED blancos es lo que los ha puesto a la vista del público como reemplazo de otras fuentes de luz blanca. En comparación con las fuentes de luz tradicionales, el LED no solo presenta las ventajas de ahorro de energía y larga vida útil, sino que también abre la puerta a Nueva flexibilidad de diseño para digitalización y ajuste de color. Hay dos formas principales de producir diodos emisores de luz blanca (WLED) que generan luz blanca de alta intensidad. Una es utilizar LED individuales que emiten tres colores primarios: rojo, verde y azul. —y luego mezclar tres colores para formar luz blanca. La otra es usar materiales de fósforo para convertir la luz LED monocromática azul o violeta en luz blanca de amplio espectro, de manera muy similar a como funciona una bombilla fluorescente. Es importante tener en cuenta que la "blancura" de la luz producida está esencialmente diseñada para adaptarse al ojo humano y, dependiendo de la situación, puede que no siempre sea apropiado pensar en ella como luz blanca.
La iluminación inteligente es un área clave en los edificios y ciudades inteligentes hoy en día. Cada vez más fabricantes participan en el diseño e instalación de iluminación inteligente en nuevas construcciones. La consecuencia es que se implementan una gran cantidad de patrones de comunicación en diferentes marcas de productos. ，como KNx ) BACnetP',DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks, etc. Un problema crítico en todos estos productos es que no pueden interoperar entre sí (es decir, baja compatibilidad y extensibilidad).
Las luminarias LED con la capacidad de ofrecer diferentes colores de luz han estado en el mercado de la iluminación arquitectónica desde los primeros días de la iluminación de estado sólido (SSL). Sin embargo, la iluminación de color ajustable sigue siendo un trabajo en progreso y requiere una cierta cantidad de tarea por parte del especificador para que la instalación sea exitosa.Hay tres categorías básicas de tipos de ajuste de color en luminarias LED: ajuste de blanco, ajuste de atenuación a cálida y ajuste a todo color. Las tres categorías pueden controlarse mediante un transmisor inalámbrico mediante Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth o otros protocolos y están conectados a la energía del edificio. Debido a estas opciones, el LED proporciona posibles soluciones para cambiar de color o CCT para satisfacer los ritmos circadianos humanos.
Ritmos circadianos
Las plantas y los animales exhiben patrones de cambios fisiológicos y de comportamiento durante un ciclo de aproximadamente 24 horas que se repiten en días sucesivos: estos son ritmos circadianos. Los ritmos circadianos están influenciados por ritmos exógenos y endógenos.
El ritmo circadiano está controlado por la melatonina, que es una de las principales hormonas producidas en el cerebro.Y también induce somnolencia. Los receptores de melanopsina establecen la fase circadiana con luz azul al despertar al cerrar la producción de melatonina". La exposición a las mismas longitudes de onda de luz azul por la noche interferirá con el sueño e interrumpirá el ritmo circadiano. La desincronización circadiana impide que el cuerpo entrar de lleno en las distintas fases del sueño, que es un momento de restauración fundamental para el cuerpo humano. Además, el impacto de la alteración circadiana se extiende más allá de la atención plena durante el día y el sueño durante la noche.
Los ritmos biológicos en los seres humanos se pueden medir generalmente de varias maneras: el ciclo de sueño/vigilia, la temperatura corporal central, la concentración de melatonina, la concentración de cortisol y la concentración de alfa amilasa8. Pero la luz es el principal sincronizador de los ritmos circadianos con la posición local en la Tierra, porque la La intensidad de la luz, la distribución del espectro, el tiempo y la duración pueden influir en el sistema circadiano humano, lo que también afecta al reloj interno diario.El tiempo de exposición a la luz puede adelantar o retrasar el reloj interno". Los ritmos circadianos influirán en el rendimiento y la comodidad del ser humano, etc. El sistema circadiano humano es más sensible a la luz a 460 nm (región azul del espectro visible), mientras que el sistema visual es más sensible. a 555 nm (región verde). Entonces, cómo utilizar el CCT sintonizable y la intensidad para mejorar la calidad de vida es cada vez más importante. Se pueden desarrollar LED de color sintonizables con sistema integrado de detección y control para cumplir con requisitos de iluminación saludables y de alto rendimiento. .
Fig.1 La luz tiene un doble efecto sobre el perfil de melatonina de 24 horas: un efecto agudo y un efecto de cambio de fase.
Diseño del paquete
Cuando ajustas el brillo de las halógenas convencionales.
lámpara, el color cambiará.Sin embargo, el LED convencional no puede ajustar la temperatura del color mientras cambia el brillo, emulando el mismo cambio de algunas luces convencionales.En los primeros días, muchas bombillas usaban LED con diferentes LED CCT combinados en la placa PCB para
Cambie el color de la iluminación cambiando la corriente de conducción.Se necesita un diseño de módulo de luz de circuito complejo para controlar CCT, lo cual no es una tarea fácil para el fabricante de luminarias. A medida que avanza el diseño de iluminación, los accesorios de iluminación compactos, como focos y luces empotradas, requieren módulos LED de tamaño pequeño y alta densidad, para Para satisfacer tanto los requisitos de ajuste de color como los de fuente de luz compacta, aparecen en el mercado COB de color ajustables.
Hay tres estructuras básicas de tipos de ajuste de color, la primera, utiliza la unión CCT CSP cálida y CCT CsP fría en la placa PCB directamente, como se ilustra en la Figura 2. El segundo tipo COB sintonizable con LES lleno de múltiples franjas de diferentes fósforos CCT. siliconas como se muestra en la figura
3. En este trabajo, se adopta un tercer enfoque mezclando LED CCT CSP cálidos con flip-chips azules y soldándolos estrechamente sobre un sustrato. Luego, se dispensa un dique de silicona reflectante blanco para rodear los CSP de color blanco cálido y los flip-chips azules. Finalmente Está lleno de silicona que contiene fósforo para completar el módulo COB de dos colores como se muestra en la Fig.4.
Fig.4 CSP de color cálido y COB con chip azul (Estructura 3: desarrollo de ShineOn)
En comparación con la Estructura 3, la Estructura 1 tiene tres desventajas:
(a) La mezcla de colores entre las diferentes fuentes de luz CSP en diferentes CCT no es uniforme debido a la segregación de silicona fosforada causada por los chips de las fuentes de luz CSP;
(b) La fuente de luz CSP se daña fácilmente con un toque físico;
(c) El espacio de cada fuente de luz CSP permite atrapar fácilmente el polvo y provocar una reducción del lumen COB;
Structure2 también tiene sus desventajas:
(a) Dificultad en el control del proceso de fabricación y control CIE;
(b) La mezcla de colores entre las diferentes secciones CCT no es uniforme, especialmente para el patrón de campo cercano.
La Figura 5 compara las lámparas MR 16 construidas con fuente de luz de la Estructura 3 (izquierda) y la Estructura 1 (derecha).En la imagen, podemos encontrar que la Estructura 1 tiene una sombra clara en el centro del área de emisión, mientras que la distribución de intensidad luminosa de la Estructura 3 es más uniforme.
Aplicaciones
En nuestro enfoque que utiliza la Estructura 3, hay dos diseños de circuitos diferentes para el color de la luz y el ajuste del brillo.En un circuito de un solo canal que tiene un requisito de controlador simple, la cadena CSP blanca y la cadena azul de chip invertido están conectadas en paralelo. Hay una resistencia fija en la cadena CSP.Con la resistencia, la corriente de conducción se divide entre los CSP y los chips azules, lo que produce un cambio de color y brillo. Los resultados de sintonización detallados se muestran en la Tabla 1 y la Figura 6. La curva de sintonización de color del circuito de un solo canal se muestra en la Figura 7.El CCT aumenta a medida que la corriente impulsora.Hemos realizado dos comportamientos de sintonización: uno emulando una bombilla halógena convencional y el otro más lineal.El rango de CCT sintonizable es de 1800K a 3000K.
Tabla 1.Cambio de flujo y CCT con corriente impulsora de ShineOn COB monocanal modelo 12SA
Fig.7 Sintonización CCT junto con la curva de cuerpo negro con corriente impulsora en el circuito de un solo canal controlado COB (7a) y los dos
Comportamientos de sintonización con luminancia relativa en referencia a lámpara halógena (7b)
El otro diseño utiliza un circuito de doble canal donde la disposición sintonizable CCT es más ancha que el circuito de un solo canal. La cadena CSP y la cadena azul del chip invertido están eléctricamente separadas en el sustrato y, por lo tanto, requieren una fuente de alimentación especial. El color y el brillo se ajustan mediante impulsando los dos circuitos al nivel y relación de corriente deseados.Se puede sintonizar de 3000k a 5700K como se muestra en la Figura 8 del modelo 20DA de COB de doble canal ShineOn. La Tabla 2 enumera el resultado de sintonización detallado que puede simular de cerca el cambio de luz del día de la mañana a la tarde. Combinando el uso del sensor de ocupación y el control circuitos, esta fuente de luz sintonizable ayuda a aumentar la exposición a la luz azul durante el día y reducir la exposición a la luz azul durante la noche, promoviendo el bienestar de las personas y el desempeño humano, así como funciones de iluminación inteligentes.
Resumen
Los módulos LED sintonizables se desarrollaron combinando
paquetes de escala de chip (CSP) y tecnología de chip a bordo (COB).Los CSP y el chip azul están integrados en una placa COB para lograr una alta densidad de potencia y uniformidad de color; la estructura de doble canal se utiliza para lograr una sintonización CCT más amplia en aplicaciones como iluminación comercial.La estructura de un solo canal se utiliza para lograr una función de atenuación a cálida que emula una lámpara halógena en aplicaciones como el hogar y la hostelería.
978-1-5386-4851-3/17/$31.00 02017IEEE
Reconocimiento
Los autores desean agradecer la financiación de The National Key Research and Development.
Programa de China (Nº 2016YFB0403900).Además, el apoyo de los colegas de ShineOn (Beijing)
Technology Co, también es agradecido.
Referencias
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