מודולי LED ניתנים לשינוי על בסיס CSP-COB
תַקצִיר: מחקרים הצביעו על המתאם בין צבע מקורות האור למחזור היממה האנושי. כוונון צבע לצרכים סביבתיים הפך חשוב יותר ויותר ביישומי תאורה באיכות גבוהה. ספקטרום מושלם של אור אמור להפגין איכויות הקרובות ביותר לאור השמש עם CRI גבוה, אך הוא אידיאלי מותאם לרגישות אנושית.אור ממוקד אנושי (HCL) צריך להיות מהונדס בהתאם לסביבה המשתנה כגון מתקנים רב שימושיים, כיתות, שירותי בריאות, וכדי ליצור אווירה ואסתטיקה.מודולי LED הניתנים לכוונון פותחו על ידי שילוב של חבילות בקנה מידה של שבבים (CSP) וטכנולוגיית chip on board (COB).CSPs משולבים על לוח COB כדי להשיג צפיפות הספק גבוהה ואחידות צבע, תוך הוספת פונקציה חדשה של כוונון צבע. ניתן לכוון את מקור האור המתקבל ברציפות מתאורה בהירה וקרירה יותר במהלך היום ועד לעמעום, תאורה חמה יותר בערב, מאמר זה מפרט את העיצוב, התהליך והביצועים של מודולי ה-LED ויישומם באור LED עם עמעום חם ותאורת תליון.
מילות מפתח:HCL, מקצבים מחזוריים, LED ניתן לכוונון, CCT כפול, עמעום חם, CRI
מבוא
ה-LED כפי שאנו מכירים אותו קיים כבר למעלה מ-50 שנה.הפיתוח האחרון של נוריות לבנים לבנות הוא מה שהביא אותו לעין הציבור כתחליף למקורות אור לבן אחרים. בהשוואה למקורות האור המסורתיים, LED לא רק מציג את היתרונות של חיסכון באנרגיה ואורך חיים ארוך, אלא גם פותח את הדלת ל גמישות עיצובית חדשה עבור דיגיטציה וכוונון צבע. ישנן שתי דרכים עיקריות להפקת דיודות פולטות אור לבנות (WLED) המייצרות אור לבן בעוצמה גבוהה. האחת היא להשתמש בנורות לד בודדות הפולטות שלושה צבעי יסוד - אדום, ירוק וכחול -ולאחר מכן מערבבים שלושה צבעים ליצירת אור לבן. השני הוא להשתמש בחומרים זרחניים כדי להמיר אור LED כחול או סגול מונוכרומטי לאור לבן בעל טווח רחב, בדיוק באותו אופן שבו פועלת נורת פלורסנט. חשוב לציין ש'הלבן' של האור המופק מהונדס בעיקרה כדי להתאים לעין האנושית, ובהתאם למצב לא תמיד מתאים לחשוב עליו כעל אור לבן.
תאורה חכמה היא תחום מפתח בבניין החכם ובעיר החכמה בימינו. מספר גדל והולך של יצרנים לוקחים חלק בתכנון והתקנה של תאורה חכמה במבנים חדשים. התוצאה היא שכמות עצומה של דפוסי תקשורת מיושמת במותגים שונים של מוצרים ，כגון KNx) BACnetP',DALI,ZigBee-ZHAZBA',PLC-Lonworks וכו'. בעיה קריטית אחת בכל המוצרים הללו היא שהם אינם יכולים לפעול זה עם זה (כלומר, תאימות והרחבה נמוכות).
גופי תאורה LED עם יכולת לספק צבעי אור משתנה נמצאים בשוק התאורה האדריכלית מאז הימים הראשונים של תאורת מצב מוצק (SSL). עם זאת, תאורה ניתנת לכוונון צבע נותרה עבודה בתהליך ודורשת שיעור מסוים של שיעורי בית על ידי מפרט אם ההתקנה תצליח.קיימות שלוש קטגוריות בסיסיות של סוגי כוונון צבע בגופי LED: כוונון לבן, כוונון עמום לחום וכיוונון צבע מלא. ניתן לשלוט בכל שלוש הקטגוריות על ידי משדר אלחוטי באמצעות Zigbee，Wi-Fi,Bluetooth או פרוטוקולים אחרים, ומקושרים לבניית כוח. בגלל האפשרויות הללו, LED מספק פתרונות אפשריים לשינוי צבע או CCT כדי לעמוד במקצבים הצירקדיים האנושיים.
מקצבים צירקדיים
צמחים ובעלי חיים מציגים דפוסים של שינויים התנהגותיים ופיזיולוגיים על פני מחזור של כ-24 שעות שחוזרים על עצמם במשך ימים רצופים-אלה הם מקצבים יממתיים. מקצבים מחזוריים מושפעים ממקצבים אקסוגניים ומקצבים אנדוגניים.
הקצב הצירקדי נשלט על ידי מלטונין שהוא אחד ההורמונים העיקריים המיוצרים במוח.וזה משרה גם ישנוניות. קולטני מלנופסין קובעים את הפאזה הצירקדית עם אור כחול עם היקיצה על ידי השבתת ייצור המלטונין". חשיפה לאותם אורכי גל כחולים של אור בערב תפריע לשינה ותשבש את הקצב הצירקדי. דה-סינכרון צירקדי מונע מהגוף כניסה מלאה לשלבים השונים של השינה, שהיא זמן שיקום קריטי לגוף האדם. יתרה מכך, ההשפעה של הפרעה יממה משתרעת מעבר לתשומת לב במהלך היום ושינה בלילה.
על המקצבים הביולוגיים בבני אדם ניתן למדוד בכמה דרכים בדרך כלל, מחזור שינה/ערות, טמפרטורת גוף הליבה, ריכוז מלטוני, ריכוז קורטיזול וריכוז אלפא עמילאז8. אבל האור הוא המסנכרנים העיקריים של מקצבי יממה למיקום מקומי על פני כדור הארץ, בגלל עוצמת האור, התפלגות הספקטרום, התזמון ומשך הזמן יכולים להשפיע על המערכת הצירקדית האנושית. זה משפיע גם על השעון הפנימי היומי.זמן החשיפה לאור יכול להקדים או לעכב את השעון הפנימי". המקצבים הצירקדיים ישפיעו על הביצועים והנוחות של האדם וכו'. המערכת הצירקדית האנושית רגישה ביותר לאור ב-460 ננומטר (אזור כחול של הספקטרום הנראה), בעוד שמערכת הראייה היא הרגישה ביותר. עד 555nm (אזור ירוק). אז איך להשתמש ב-CCT המתכוונן והעוצמה כדי לשפר את איכות החיים הופכת חשובה יותר ויותר. ניתן לפתח נוריות LED מתכווננות בצבע עם מערכת חישה ובקרה משולבת כדי לעמוד בדרישות תאורה בריאה ותאורה כה גבוהים. .
איור 1 לאור יש השפעה כפולה על פרופיל המלטונין של 24 שעות, השפעה חריפה ואפקט הסחת פאזה.
עיצוב חבילה
כאשר אתה מכוון את הבהירות של הלוגן קונבנציונלי
מנורה, הצבע ישתנה.עם זאת, LED קונבנציונלי אינו מסוגל לכוון את טמפרטורת הצבע תוך שינוי בהירות, חיקוי אותו שינוי של תאורה קונבנציונלית כלשהי.בימים מוקדמים יותר, נורות רבות ישתמשו ב-LED עם נוריות CCT שונות משולבות על לוח ה-PCB
שנה את צבע התאורה על ידי שינוי זרם הנהיגה.הוא זקוק לעיצוב מודול אור מעגל מורכב כדי לשלוט ב-CCT, וזו משימה לא קלה ליצרן גופי התאורה. ככל שעיצוב התאורה מתקדם, גוף התאורה הקומפקטי כגון נורות ספוט ונורות למטה, קורא למודולי LED בגודל קטן וצפיפות גבוהה, על מנת מספקים הן את דרישות כוונון הצבע והן למקור אור קומפקטי, קוביות צבע ניתנות לשינוי מופיעים בשוק.
ישנם שלושה מבנים בסיסיים של סוגי כוונון צבע, הראשון, הוא משתמש ב-CCT CSP החם ובחיבור CCT CsP קריר על לוח ה-PCB ישירות כפי שמוצג באיור 2. COB מהסוג השני מתכוונן עם LES מלא בפסים מרובים של זרחן CCT שונה סיליקונס שמוצג באיור
3. בעבודה זו, גישה שלישית נוקטת על ידי ערבוב של נורות CCT CSP חמות עם שבבים כחולים והלחמה צמודה על גבי מצע. לאחר מכן מופרש סכר סיליקון לבן רפלקטיבי כדי להקיף את ה-CSP הלבנים החמים והשבבים הכחולים. הוא מלא בסיליקון המכיל זרחן כדי להשלים את מודול COB בצבע כפול כפי שמוצג באיור 4.
איור 4 CSP צבע חם ו-COB של שבב הפוך כחול (מבנה 3- פיתוח ShineOn)
בהשוואה למבנה 3, למבנה 1 יש שלושה חסרונות:
(א) ערבוב הצבעים בין מקורות האור השונים של ה-CSP ב-CCTs שונים אינו אחיד עקב הפרדה של סיליקון זרחני הנגרמת על ידי השבבים של מקורות האור CSP;
(ב) מקור האור CSP ניזוק בקלות עם מגע פיזי;
(ג) הפער של כל מקור אור CSP קל ללכוד את האבק כדי לגרום להפחתת לומן COB;
ל-Structure2 יש גם חסרונות:
(א) קושי בבקרת תהליכי ייצור ובקרת CIE;
(ב) ערבוב הצבעים בין חלקי ה-CCT השונים אינו אחיד, במיוחד עבור דפוס השדה הקרוב.
איור 5 משווה מנורות MR 16 שנבנו עם מקור אור של מבנה 3 (שמאל) ומבנה 1 (ימין).מהתמונה, אנו יכולים לגלות שלמבנה 1 יש גוון בהיר במרכז האזור הפולט, בעוד שחלוקת עוצמת האור של מבנה 3 אחידה יותר.
יישומים
בגישה שלנו באמצעות Structure 3, ישנם שני עיצובי מעגלים שונים לכוונון צבע האור והבהירות.במעגל חד ערוץ שיש לו דרישת דרייבר פשוטה, מחרוזת ה-CSP הלבנה והמחרוזת הכחולת של ה-Flip-Chip מחוברים במקביל. ישנו נגד קבוע במחרוזת ה-CSP.עם הנגד, זרם ההנעה מחולק בין CSPs ושבבים כחולים וכתוצאה מכך שינוי של הצבע והבהירות. תוצאות הכוונון המפורטות מוצגות בטבלה 1 ובאיור 6. עקומת כוונון הצבע של מעגלים חד-ערוציים מוצגת באיור 7.ה- CCT גדל כזרם ההנעה.הבנו שני התנהגות כוונון כאשר האחד מחקה בולבנד הלוגן קונבנציונלי והשני כוונון ליניארי יותר.טווח ה-CCT הניתן לכוונון הוא בין 1800K ל-3000K.
שולחן 1.שטף ו-CCT משתנים עם זרם הנעה של ShineOn חד ערוצי COB דגם 12SA
איור.7 כוונון CCT יחד עם עקומת גוף שחור עם זרם הנעה במעגל החד-ערוצי הנשלט COB(7a) והשניים
כוונון התנהגויות עם בהירות יחסית בהתייחס למנורת הלוגן (7b)
העיצוב השני משתמש במעגל דו-ערוצי שבו הסידור הניתן לכוונון CCT רחב יותר מהמעגל החד-ערוצי. מחרוזת ה-CSP ומיתר השבב הכחול נפרדים חשמלית על המצע ולכן הוא דורש אספקת חשמל מיוחדת. הצבע והבהירות מכוונים על ידי הנעת שני המעגלים ברמת הזרם והיחס הרצויים.ניתן לכוון אותו מ-3000k ל-5700Kas המוצג באיור 8 של ShineOn דו-ערוץ COB דגם 20DA. טבלה 2 פירטה את תוצאת הכוונון המפורטת שיכולה לדמות מקרוב את השינוי באור היום מבוקר עד ערב. על ידי שילוב של שימוש בחיישן תפוסה ובקרה מעגלים, מקור האור המתכוונן הזה עוזר להגביר את החשיפה לאור כחול במהלך היום ולהפחית את החשיפה לאור כחול במהלך הלילה, מקדם את רווחת האנשים ואת הביצועים האנושיים, כמו גם פונקציות תאורה חכמות.
סיכום
מודולי LED הניתנים לכוונון פותחו על ידי שילוב
חבילות קנה מידה של שבבים (CSP) וטכנולוגיית chip on board (COB).CSPs ושבב Flip כחול משולבים על לוח COB כדי להשיג צפיפות הספק גבוהה ואחידות צבע, מבנה דו-ערוצי משמש להשגת כוונון CCT רחב יותר ביישומים כמו תאורה מסחרית.מבנה חד ערוצי משמש להשגת פונקציה עמומה עד חמימה המדמה מנורת הלוגן ביישומים כמו בית ואירוח.
978-1-5386-4851-3/17/$31.00 02017 IEEE
הכרה
המחברים רוצים להכיר במימון ממחקר ופיתוח מפתח הלאומי
תוכנית סין (מס' 2016YFB0403900).בנוסף, תמיכה מהקולגות ב-ShineOn (בייג'ינג)
חברת Technology Co, מוכרת גם בתודה.
הפניות
[1] Han, N., Wu, Y.-H.ו-Tang, Y,"מחקר של מכשיר KNX
צומת ופיתוח מבוסס על מודול ממשק האוטובוס", ועידת הבקרה הסינית ה-29 (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. and Hong, SH "הצעה חדשה של מערכת ניהול רשת עבור BACnet ומודל ההתייחסות שלה", הכנס הבינלאומי ה-8 של IEEE בנושא אינפורמטיקה תעשייתית (INDIN), 2010, 28-33.
[3]Wohlers I, Andonov R. ו-Klau GW,"DALIX: Optimal DALI Protein Structure Alignment", IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics, 10, 26-36.
[4]Domingez, F, Touhafi, A., Tiete, J. and Steen haut, K.,
"דו קיום עם WiFi עבור מוצר ZigBee אוטומציה ביתית", סימפוזיון 19 של IEEE בנושא תקשורת וטכנולוגיית כלי רכב בבנלוקס (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ， Wu, QX and Huang, YW,"מערכת אוטומטית לקריאת מונים המבוססת על תקשורת קווי חשמל של LonWorks", כנס בינלאומי לטכנולוגיה וחדשנות (ITIC 2009), 2009,1-5.
[6] Ellis, EV, Gonzalez, EW, et al, "כוונן אוטומטי של אור יום עם נוריות: תאורה בת קיימא לבריאות ולרווחה", הליכים של כנס מחקר האביב של ARCC 2013, מרץ, 2013
[7] ספר לבן של Lighting Science Group "Lighting: the Way to Health & Productivity", 25 באפריל, 2016.
[8] Figueiro,MG,Bullough, JD, et al, "ראיות ראשוניות לשינוי ברגישות הספקטרלית של המערכת הצירקדית בלילה", Journal of Circadian Rhythms 3:14.פברואר 2005.
[9]Inanici, M,Brennan,M, Clark,E,"Spectral Daylighting
Simulations: Computing Circadian Light", הכנס ה-14 של איגוד סימולציית ביצועי הבניין הבינלאומי, היידראבאד, הודו, דצמבר 2015.