Mô-đun LED có thể điều chỉnh dựa trên CSP-COB
Trừu tượng: Nghiên cứu đã chỉ ra mối tương quan giữa màu sắc của nguồn sáng và chu kỳ sinh học của con người. Việc điều chỉnh màu sắc theo nhu cầu môi trường ngày càng trở nên quan trọng trong các ứng dụng chiếu sáng chất lượng cao. Quang phổ ánh sáng hoàn hảo phải thể hiện những phẩm chất gần nhất với ánh sáng mặt trời với CRI cao, nhưng lý tưởng nhất là phù hợp với sự nhạy cảm của con người.Ánh sáng lấy con người làm trung tâm (HCL) cần được thiết kế phù hợp với môi trường thay đổi như cơ sở vật chất đa dụng, lớp học, chăm sóc sức khỏe, đồng thời tạo ra môi trường xung quanh và tính thẩm mỹ.Mô-đun LED có thể điều chỉnh được phát triển bằng cách kết hợp các gói quy mô chip (CSP) và công nghệ chip on board (COB).CSP được tích hợp trên bảng COB để đạt được mật độ năng lượng cao và độ đồng đều màu sắc, đồng thời bổ sung thêm chức năng mới về khả năng điều chỉnh màu. Nguồn sáng thu được có thể được điều chỉnh liên tục từ ánh sáng màu sáng, mát hơn vào ban ngày đến ánh sáng mờ hơn, ấm hơn vào buổi tối, Bài viết này trình bày chi tiết về thiết kế, quy trình và hiệu suất của mô-đun LED cũng như ứng dụng của nó trong đèn LED âm trần và đèn treo có độ mờ ấm.
Từ khóa:HCL, Nhịp sinh học, Đèn LED điều chỉnh, CCT kép, Làm mờ ấm, CRI
Giới thiệu
Đèn LED như chúng ta biết đã tồn tại hơn 50 năm.Sự phát triển gần đây của đèn LED trắng là điều đã đưa nó đến với công chúng như một sự thay thế cho các nguồn ánh sáng trắng khác. So với các nguồn sáng truyền thống, đèn LED không chỉ thể hiện những ưu điểm về tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ cao mà còn mở ra cơ hội cho thiết kế mới linh hoạt cho việc số hóa và điều chỉnh màu sắc. Có hai cách chính để sản xuất điốt phát sáng trắng (WLED) tạo ra ánh sáng trắng cường độ cao. Một là sử dụng các đèn LED riêng lẻ phát ra ba màu cơ bản—đỏ, lục và lam —và sau đó trộn ba màu để tạo thành ánh sáng trắng. Cách thứ hai là sử dụng vật liệu phốt pho để chuyển đổi ánh sáng LED đơn sắc xanh lam hoặc tím thành ánh sáng trắng phổ rộng, giống như cách hoạt động của bóng đèn huỳnh quang. Điều quan trọng cần lưu ý là rằng 'độ trắng' của ánh sáng được tạo ra về cơ bản được thiết kế để phù hợp với mắt người và tùy thuộc vào tình huống, có thể không phải lúc nào cũng thích hợp khi coi nó là ánh sáng trắng.
Chiếu sáng thông minh hiện nay là một lĩnh vực quan trọng trong tòa nhà thông minh và thành phố thông minh. Ngày càng có nhiều nhà sản xuất tham gia thiết kế và lắp đặt hệ thống chiếu sáng thông minh trong các công trình mới. Hậu quả là một lượng lớn mô hình giao tiếp được triển khai trong các nhãn hiệu sản phẩm khác nhau ,chẳng hạn như KNx ) BACnetP',DALI,ZigBee-ZHAZBA',PLC-Lonworks, v.v. Một vấn đề quan trọng ở tất cả các sản phẩm này là chúng không thể tương tác với nhau (tức là khả năng tương thích và khả năng mở rộng thấp).
Bộ đèn LED với khả năng cung cấp nhiều màu sắc ánh sáng khác nhau đã có mặt trên thị trường chiếu sáng kiến trúc kể từ những ngày đầu của hệ thống chiếu sáng trạng thái rắn (SSL). Tuy nhiên, hệ thống chiếu sáng có thể điều chỉnh màu vẫn đang trong quá trình hoàn thiện và đòi hỏi một số công việc nhất định của nhà phát triển. chỉ định nếu cài đặt thành công.Có ba loại điều chỉnh màu cơ bản trong bộ đèn LED: điều chỉnh màu trắng, điều chỉnh từ mờ đến ấm và điều chỉnh đủ màu. Tất cả ba loại này có thể được điều khiển bằng bộ phát không dây sử dụng Zigbee,Wi-Fi, Bluetooth hoặc các giao thức khác và được kết nối chặt chẽ với nguồn điện của tòa nhà. Nhờ những tùy chọn này, đèn LED cung cấp các giải pháp khả thi để thay đổi màu sắc hoặc CCT nhằm đáp ứng nhịp sinh học của con người.
Nhịp sinh học
Thực vật và động vật biểu hiện các kiểu thay đổi hành vi và sinh lý trong chu kỳ khoảng 24 giờ và lặp lại trong những ngày liên tiếp - đây là những nhịp sinh học. Nhịp sinh học bị ảnh hưởng bởi nhịp điệu ngoại sinh và nội sinh.
Nhịp sinh học được điều khiển bởi Melatonin, một trong những hormone chính được sản xuất trong não.Và nó cũng gây buồn ngủ. Các thụ thể Melanopsin thiết lập giai đoạn sinh học bằng ánh sáng xanh khi thức dậy bằng cách ngừng sản xuất melatonin. Việc tiếp xúc với cùng bước sóng ánh sáng xanh vào buổi tối sẽ cản trở giấc ngủ và phá vỡ nhịp sinh học. Sự mất đồng bộ sinh học ngăn cản cơ thể khỏi bước vào hoàn toàn các giai đoạn khác nhau của giấc ngủ, đây là thời gian phục hồi quan trọng đối với cơ thể con người. Hơn nữa, tác động của sự gián đoạn sinh học vượt ra ngoài chánh niệm vào ban ngày và giấc ngủ vào ban đêm.
Thông thường, nhịp sinh học ở người có thể được đo bằng nhiều cách, chu kỳ ngủ/thức, nhiệt độ cơ thể, nồng độ melatonin, nồng độ cortisol và nồng độ Alpha amylase8. Nhưng ánh sáng là yếu tố đồng bộ hóa chính của nhịp sinh học với vị trí cục bộ trên trái đất, bởi vì cường độ ánh sáng, phân bố quang phổ, thời gian và thời lượng có thể ảnh hưởng đến hệ thống sinh học của con người. Điều đó cũng ảnh hưởng đến đồng hồ bên trong hàng ngày.Thời gian tiếp xúc với ánh sáng có thể tăng hoặc giảm đồng hồ bên trong. Nhịp sinh học sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và sự thoải mái của con người, v.v. Hệ thống sinh học của con người nhạy cảm nhất với ánh sáng ở bước sóng 460nm (vùng màu xanh lam của quang phổ nhìn thấy), trong khi hệ thống thị giác nhạy cảm nhất đến 555nm (vùng xanh).Vì vậy, cách sử dụng CCT và cường độ có thể điều chỉnh để cải thiện chất lượng cuộc sống ngày càng trở nên quan trọng. Đèn LED có thể điều chỉnh màu với hệ thống điều khiển và cảm biến tích hợp có thể được phát triển để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất cao, ánh sáng lành mạnh như vậy .
Hình 1 Ánh sáng có tác động kép lên cấu hình melatonin 24 giờ, hiệu ứng cấp tính và hiệu ứng Chuyển pha.
Thiết kế bao bì
Khi bạn điều chỉnh độ sáng của đèn halogen thông thường
đèn, màu sắc sẽ được thay đổi.Tuy nhiên, đèn LED thông thường không thể điều chỉnh nhiệt độ màu trong khi thay đổi độ sáng, mô phỏng sự thay đổi tương tự của một số ánh sáng thông thường.Ngày trước, nhiều bóng đèn sẽ sử dụng đèn led với các đèn LED CCT khác nhau kết hợp trên bo mạch PCB để
thay đổi màu ánh sáng bằng cách thay đổi dòng điện.Nó cần thiết kế mô-đun ánh sáng mạch phức tạp để điều khiển CCT, đây không phải là nhiệm vụ dễ dàng đối với nhà sản xuất đèn. Khi thiết kế chiếu sáng tiến bộ, các thiết bị chiếu sáng nhỏ gọn như đèn chiếu điểm và đèn chiếu sáng, yêu cầu mô-đun LED kích thước nhỏ, mật độ cao, Để đáp ứng cả yêu cầu điều chỉnh màu sắc và nguồn sáng nhỏ gọn, COB màu có thể điều chỉnh xuất hiện trên thị trường.
Có ba cấu trúc cơ bản của các loại điều chỉnh màu, loại thứ nhất sử dụng liên kết CCT CSP ấm và CCT CsP mát trực tiếp trên bo mạch PCB như được minh họa trong Hình 2. Loại COB có thể điều chỉnh thứ hai với LES chứa nhiều sọc phốt pho CCT khác nhau silicones như trong hình
3.Trong công việc này, phương pháp thứ ba được thực hiện bằng cách trộn các đèn LED CCT CSP ấm với chip lật màu xanh lam và chất hàn chặt được gắn trên đế. Sau đó, một đập silicon phản chiếu màu trắng được phân phối để bao quanh các CSP màu trắng ấm và chip lật màu xanh lam. Cuối cùng ,nó chứa đầy silicone chứa phốt pho để hoàn thiện mô-đun COB hai màu như trong Hình 4.
Hình 4 CSP màu ấm và chip lật màu xanh COB (Cấu trúc 3- Phát triển ShineOn)
So sánh với Cấu trúc 3, Cấu trúc 1 có ba nhược điểm:
(a) Sự pha trộn màu giữa các nguồn sáng CSP khác nhau trong các CCT khác nhau không đồng nhất do sự phân tách silicon phốt pho gây ra bởi các chip của nguồn sáng CSP;
(b) Nguồn sáng CSP dễ bị hỏng khi chạm vật lý;
(c) Khe hở của mỗi nguồn sáng CSP dễ bám bụi gây giảm lumen COB;
Cấu trúc2 cũng có nhược điểm:
(a) Khó khăn trong việc kiểm soát quá trình sản xuất và kiểm soát CIE;
(b) Sự trộn màu giữa các phần CCT khác nhau không đồng nhất, đặc biệt đối với mẫu trường gần.
Hình 5 so sánh đèn MR 16 được chế tạo với nguồn sáng Cấu trúc 3 (trái) và Cấu trúc 1 (phải).Từ hình ảnh, chúng ta có thể thấy Cấu trúc 1 có bóng sáng ở trung tâm vùng phát xạ, trong khi sự phân bố cường độ sáng của Cấu trúc 3 đồng đều hơn.
Các ứng dụng
Theo cách tiếp cận của chúng tôi bằng cách sử dụng Cấu trúc 3, có hai thiết kế mạch khác nhau để điều chỉnh màu sắc và độ sáng.Trong mạch đơn kênh có yêu cầu trình điều khiển đơn giản, chuỗi CSP màu trắng và chuỗi chip lật màu xanh được kết nối song song. Có một điện trở cố định trong chuỗi CSP.Với điện trở, dòng điện được phân chia giữa CSP và chip xanh dẫn đến thay đổi màu sắc và độ sáng. Kết quả điều chỉnh chi tiết được hiển thị trong Bảng 1 và Hình 6. Đường cong điều chỉnh màu của mạch đơn kênh được hiển thị trong Hình 7.CCT tăng khi dòng điện chạy qua.Chúng tôi đã nhận ra hai hành vi điều chỉnh với một hành vi mô phỏng bóng đèn halogen thông thường và hành vi còn lại điều chỉnh tuyến tính hơn.Phạm vi CCT có thể điều chỉnh là từ 1800K đến 3000K.
Bảng 1.Thông lượng và CCT thay đổi theo dòng điện của COB kênh đơn ShineOn Model 12SA
Fig.7CCT điều chỉnh cùng với đường cong vật đen với dòng điện điều khiển trong mạch đơn kênh COB(7a) và cả hai
hành vi điều chỉnh với độ chói tương đối liên quan đến đèn Halogen(7b)
Thiết kế còn lại sử dụng mạch hai kênh trong đó bố trí có thể điều chỉnh CCT rộng hơn mạch đơn kênh. Chuỗi CSP và chuỗi chip lật màu xanh được tách biệt về điện trên đế và do đó nó yêu cầu nguồn điện đặc biệt. Màu sắc và độ sáng được điều chỉnh bởi điều khiển hai mạch ở mức và tỷ lệ hiện tại mong muốn.Nó có thể được điều chỉnh từ 3000k đến 5700Kas được hiển thị trong Hình 8 của mô hình COB kênh đôi ShineOn 20DA. Bảng 2 liệt kê kết quả điều chỉnh chi tiết có thể mô phỏng chặt chẽ sự thay đổi ánh sáng ban ngày từ sáng sang tối. Bằng cách kết hợp việc sử dụng cảm biến chiếm chỗ và điều khiển mạch, nguồn ánh sáng có thể điều chỉnh này giúp tăng khả năng tiếp xúc với ánh sáng xanh vào ban ngày và giảm tiếp xúc với ánh sáng xanh vào ban đêm, nâng cao sức khỏe và hiệu suất của con người cũng như các chức năng chiếu sáng thông minh.
Bản tóm tắt
Mô-đun LED có thể điều chỉnh được được phát triển bằng cách kết hợp
gói cân chip (CSP) và công nghệ chip on board (COB).Chip lật màu xanh CSP và được tích hợp trên bo mạch COB để đạt được mật độ năng lượng cao và độ đồng đều màu sắc, cấu trúc kênh đôi được sử dụng để đạt được điều chỉnh CCT rộng hơn trong các ứng dụng như chiếu sáng thương mại.Cấu trúc kênh đơn được sử dụng để đạt được chức năng mô phỏng đèn halogen từ mờ đến ấm trong các ứng dụng như gia đình và khách sạn.
978-1-5386-4851-3/17/$31,00 02017 IEEE
Nhìn nhận
Các tác giả xin chân thành cảm ơn sự tài trợ của Quỹ Nghiên cứu và Phát triển Trọng điểm Quốc gia
Chương trình của Trung Quốc (số 2016YFB0403900).Ngoài ra, còn có sự hỗ trợ từ các đồng nghiệp ở ShineOn (Bắc Kinh)
Công ty TNHH Công Nghệ cũng xin trân trọng cảm ơn.
Người giới thiệu
[1] Hàn, N., Wu, Y.-H.và Tang, Y,"Nghiên cứu thiết bị KNX
Nút và sự phát triển dựa trên mô-đun giao diện xe buýt", Hội nghị điều khiển Trung Quốc lần thứ 29 (CCC), 2010, 4346 -4350.
[2] Park, T. và Hong, SH ,“Đề xuất mới về Hệ thống quản lý mạng cho BACnet và Mô hình tham chiếu của nó”, Hội nghị quốc tế IEEE lần thứ 8 về Tin học công nghiệp (INDIN), 2010, 28-33.
[3]Wohlers I, Andonov R. và Klau GW, “DALIX: Sắp xếp cấu trúc protein DALI tối ưu”, Giao dịch IEEE/ACM về Sinh học tính toán và Tin sinh học, 10, 26-36.
[4]Dominguez, F, Touhafi, A., Tiete, J. và Steen haut, K.,
“Sự cùng tồn tại với WiFi cho sản phẩm ZigBee tự động hóa gia đình”, Hội nghị chuyên đề lần thứ 19 của IEEE về Công nghệ truyền thông và phương tiện giao thông tại Benelux (SCVT), 2012, 1-6.
[5]Lin, WJ， Wu, QX và Huang, YW,"Hệ thống đọc đồng hồ tự động dựa trên truyền thông đường dây điện của LonWorks", Hội nghị quốc tế về công nghệ và đổi mới (ITIC 2009), 2009,1-5.
[6] Ellis, EV, Gonzalez, EW, và cộng sự,“Tự động điều chỉnh ánh sáng ban ngày bằng đèn LED: Chiếu sáng bền vững cho sức khỏe và hạnh phúc”, Kỷ yếu của Hội nghị nghiên cứu mùa xuân ARCC 2013, tháng 3 năm 2013
[7] Sách trắng của Nhóm Khoa học Chiếu sáng,"Ánh sáng: Con đường dẫn tới Sức khỏe & Năng suất", ngày 25 tháng 4 năm 2016.
[8] Figueiro,MG,Bullough, JD,et al, "Bằng chứng sơ bộ về sự thay đổi độ nhạy quang phổ của hệ thống sinh học vào ban đêm", Tạp chí Nhịp sinh học 3:14.Tháng 2 năm 2005.
[9]Inanici, M,Brennan,M, Clark, E,"Ánh sáng ban ngày quang phổ
Mô phỏng: Tính toán ánh sáng sinh học", Hội nghị lần thứ 14 của Hiệp hội mô phỏng hiệu suất tòa nhà quốc tế, Hyderabad, Ấn Độ, tháng 12 năm 2015.