โมดูล LED ที่ปรับได้ตาม CSP-COB
เชิงนามธรรม: การวิจัยได้ระบุความสัมพันธ์ระหว่างสีของแหล่งกำเนิดแสงและวงจรชีวิตประจำวันของมนุษย์ การปรับสีให้เข้ากับความต้องการด้านสิ่งแวดล้อมมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในการใช้งานระบบไฟคุณภาพสูง สเปกตรัมของแสงที่สมบูรณ์แบบควรแสดงคุณสมบัติที่ใกล้เคียงกับแสงแดดมากที่สุดโดยมี CRI สูง แต่ตามหลักการแล้ว ปรับให้เข้ากับความไวของมนุษย์แสงที่มีมนุษย์เป็นศูนย์กลาง (HCL) จำเป็นต้องได้รับการออกแบบตามสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง เช่น สิ่งอำนวยความสะดวกอเนกประสงค์ ห้องเรียน การดูแลสุขภาพ และเพื่อสร้างบรรยากาศและความสวยงามโมดูล LED แบบปรับได้ได้รับการพัฒนาโดยการรวมแพ็คเกจขนาดชิป (CSP) และเทคโนโลยีชิปออนบอร์ด (COB)CSP ถูกรวมไว้บนบอร์ด COB เพื่อให้ได้ความหนาแน่นของพลังงานสูงและความสม่ำเสมอของสี ในขณะเดียวกันก็เพิ่มฟังก์ชันใหม่ของการปรับแต่งสี แหล่งกำเนิดแสงที่ได้นั้นสามารถปรับได้อย่างต่อเนื่องตั้งแต่แสงสีที่สว่างและเย็นกว่าในระหว่างวันไปจนถึงแสงที่อุ่นขึ้นในตอนเย็น บทความนี้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับการออกแบบ กระบวนการ และประสิทธิภาพของโมดูล LED และการใช้งานในไฟดาวน์ไลท์ LED และไฟจี้ที่ให้แสงอุ่น
คำสำคัญ:HCL, จังหวะเซอร์คาเดียน, LED แบบปรับได้, CCT คู่, ลดแสงอุ่น, CRI
การแนะนำ
LED อย่างที่เราทราบกันดีว่ามีมานานกว่า 50 ปีแล้วการพัฒนาล่าสุดของไฟ LED สีขาวคือสิ่งที่ทำให้สาธารณชนได้รับรู้เพื่อทดแทนแหล่งกำเนิดแสงสีขาวอื่นๆ เมื่อเปรียบเทียบกับแหล่งกำเนิดแสงแบบเดิม LED ไม่เพียงแต่นำเสนอข้อดีของการประหยัดพลังงานและอายุการใช้งานที่ยาวนานเท่านั้น แต่ยังเปิดประตูสู่ ความยืดหยุ่นในการออกแบบใหม่สำหรับการแปลงข้อมูลเป็นดิจิทัลและการปรับแต่งสี มีวิธีหลักสองวิธีในการผลิตไดโอดเปล่งแสงสีขาว (WLED) ที่สร้างแสงสีขาวความเข้มสูง วิธีหนึ่งคือการใช้ LED แต่ละดวงที่ปล่อยสีหลักสามสี ได้แก่ แดง เขียว และน้ำเงิน — จากนั้นผสมสีสามสีเพื่อสร้างแสงสีขาว อีกอย่างคือการใช้วัสดุฟอสเฟอร์ในการแปลงไฟ LED สีน้ำเงินหรือสีม่วงแบบเอกรงค์ให้เป็นแสงสีขาวในวงกว้าง ในลักษณะเดียวกับที่หลอดไฟฟลูออเรสเซนต์ทำงาน สิ่งสำคัญที่ควรทราบ ว่า 'ความขาว' ของแสงที่ผลิตได้รับการออกแบบมาเพื่อให้เหมาะกับสายตามนุษย์เป็นหลัก และขึ้นอยู่กับสถานการณ์ การคิดว่ามันเป็นแสงสีขาวอาจไม่เหมาะสมเสมอไป
ระบบไฟอัจฉริยะเป็นส่วนสำคัญในอาคารอัจฉริยะและเมืองอัจฉริยะในปัจจุบัน ผู้ผลิตจำนวนมากขึ้นมีส่วนร่วมในการออกแบบและติดตั้งระบบไฟอัจฉริยะในการก่อสร้างใหม่ ผลที่ตามมาก็คือ รูปแบบการสื่อสารจำนวนมากถูกนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์ยี่ห้อต่างๆ ，เช่น KNx ) BACnetP',DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks เป็นต้น ปัญหาสำคัญอย่างหนึ่งในผลิตภัณฑ์เหล่านี้ทั้งหมดคือไม่สามารถทำงานร่วมกันได้ (เช่น ความเข้ากันได้และความสามารถในการขยายต่ำ)
โคมไฟ LED ที่มีความสามารถในการให้สีของแสงที่แตกต่างกันมีอยู่ในตลาดผลิตภัณฑ์ส่องสว่างทางสถาปัตยกรรมมาตั้งแต่ยุคแรกๆ ของการใช้ระบบไฟโซลิดสเตต (SSL) แม้ว่าระบบไฟแบบปรับสีได้ยังคงอยู่ในระหว่างดำเนินการและจำเป็นต้องทำการบ้านจำนวนหนึ่งจาก ระบุว่าการติดตั้งจะสำเร็จหรือไม่ประเภทการปรับสีพื้นฐานในโคมไฟ LED มีสามประเภทพื้นฐาน: การปรับสีขาว การหรี่แสงเพื่ออุ่น และการปรับสีทั้งหมด ทั้งสามหมวดหมู่สามารถควบคุมได้โดยเครื่องส่งสัญญาณไร้สายโดยใช้ Zigbee, Wi-Fi, บลูทูธ หรือ โปรโตคอลอื่น ๆ และเดินสายเพื่อสร้างพลังงาน เนื่องจากตัวเลือกเหล่านี้ LED จึงมอบวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้ในการเปลี่ยนสีหรือ CCT เพื่อให้สอดคล้องกับจังหวะการเต้นของหัวใจของมนุษย์
จังหวะเซอร์คาเดียน
พืชและสัตว์แสดงรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงทางพฤติกรรมและสรีรวิทยาในรอบประมาณ 24 ชั่วโมงที่ทำซ้ำในช่วงวันต่อเนื่องกัน ซึ่งได้แก่ จังหวะของวงจรชีวิต จังหวะของวงจรของวงจรได้รับอิทธิพลจากจังหวะจากภายนอกและจากภายนอก
จังหวะการเต้นของหัวใจถูกควบคุมโดยเมลาโทนินซึ่งเป็นหนึ่งในฮอร์โมนสำคัญที่ผลิตในสมองและยังทำให้ง่วงอีกด้วย ตัวรับเมลานอปซินตั้งระยะเป็นกลางด้วยแสงสีฟ้าเมื่อตื่นโดยปิดการผลิตเมลาโทนิน" การได้รับแสงความยาวคลื่นสีน้ำเงินเท่ากันในตอนเย็นจะรบกวนการนอนหลับและรบกวนจังหวะการทำงานของร่างกาย ความไม่ประสานกันของ Circadian จะขัดขวางไม่ให้ร่างกายไม่สามารถ เข้าสู่ช่วงต่างๆ ของการนอนหลับโดยสมบูรณ์ ซึ่งเป็นช่วงเวลาสำคัญในการฟื้นฟูร่างกายมนุษย์ นอกจากนี้ ผลกระทบจากการหยุดชะงักของนาฬิกาชีวภาพยังขยายไปไกลกว่าการมีสติในระหว่างวันและการนอนหลับตอนกลางคืน
เกี่ยวกับจังหวะทางชีววิทยาในมนุษย์สามารถวัดได้หลายวิธี โดยปกติคือ วงจรการนอนหลับ/ตื่น อุณหภูมิของร่างกายแกนกลาง ความเข้มข้นของเมลาโทนิน ความเข้มข้นของคอร์ติซอล และความเข้มข้นของอัลฟ่าอะไมเลส8 แต่แสงเป็นตัวประสานหลักของจังหวะการเต้นของหัวใจกับตำแหน่งเฉพาะบนโลก เนื่องจาก ความเข้มของแสง การกระจายสเปกตรัม เวลา และระยะเวลาสามารถส่งผลต่อระบบนาฬิกาชีวภาพของมนุษย์ ซึ่งส่งผลต่อนาฬิกาภายในรายวันด้วยเวลาที่เปิดรับแสงอาจเลื่อนไปข้างหน้าหรือชะลอนาฬิกาภายในก็ได้" จังหวะนาฬิกาชีวภาพจะส่งผลต่อประสิทธิภาพและความสบายของมนุษย์ เป็นต้น ระบบนาฬิกาชีวภาพของมนุษย์มีความไวต่อแสงมากที่สุดที่ 460 นาโนเมตร (บริเวณสีน้ำเงินของสเปกตรัมที่มองเห็นได้) ในขณะที่ระบบการมองเห็นมีความไวมากที่สุด ถึง 555 นาโนเมตร (พื้นที่สีเขียว) ดังนั้น วิธีใช้ CCT ที่ปรับได้และความเข้มเพื่อปรับปรุงคุณภาพชีวิตจึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ LED ที่ปรับแต่งสีได้พร้อมระบบการตรวจจับและการควบคุมในตัวสามารถพัฒนาได้เพื่อตอบสนองความต้องการด้านแสงที่มีประสิทธิภาพสูงและดีต่อสุขภาพดังกล่าว .
รูปที่ 1 แสงมีผลกระทบแบบคู่ต่อโปรไฟล์เมลาโทนินใน 24 ชั่วโมง ผลกระทบแบบเฉียบพลัน และเอฟเฟกต์การเปลี่ยนเฟส
การออกแบบบรรจุภัณฑ์
เมื่อคุณปรับความสว่างของหลอดฮาโลเจนแบบธรรมดา
โคมไฟก็จะเปลี่ยนสีอย่างไรก็ตาม LED ทั่วไปไม่สามารถปรับอุณหภูมิสีในขณะที่เปลี่ยนความสว่างได้ ซึ่งเลียนแบบการเปลี่ยนแปลงของแสงทั่วไปบางประเภทในสมัยก่อน หลอดไฟจำนวนมากจะใช้ไฟ LED โดยมี CCT LED ต่างกันมารวมกันบนบอร์ด PCB
เปลี่ยนสีไฟโดยการเปลี่ยนกระแสการขับขี่จำเป็นต้องมีการออกแบบโมดูลไฟวงจรที่ซับซ้อนเพื่อควบคุม CCT ซึ่งไม่ใช่เรื่องง่ายสำหรับผู้ผลิตโคมไฟ เนื่องจากการออกแบบระบบแสงสว่างก้าวหน้าไป อุปกรณ์ส่องสว่างขนาดกะทัดรัด เช่น ไฟสปอตไลต์และไฟดาวน์ไลท์ เรียกร้องให้มีขนาดเล็ก โมดูล LED ความหนาแน่นสูง เพื่อที่จะ ตอบสนองทั้งการปรับแต่งสีและข้อกำหนดของแหล่งกำเนิดแสงขนาดกะทัดรัด COB สีที่ปรับได้จะปรากฏในตลาด
ประเภทการปรับสีมีโครงสร้างพื้นฐานสามประการ แบบแรกใช้การเชื่อม CCT CSP แบบอุ่นและ CCT CsP แบบเย็นบนบอร์ด PCB โดยตรงดังแสดงในรูปที่ 2 COB แบบปรับได้ประเภทที่สองที่มี LES เต็มไปด้วยแถบหลายแถบของฟอสเฟอร์ CCT ที่แตกต่างกัน ซิลิโคนดังแสดงในรูป
3.ในงานนี้ แนวทางที่สามคือการผสม LED CCT CSP อุ่นกับฟลิปชิปสีน้ำเงินและบัดกรีติดแน่นบนพื้นผิว จากนั้นจึงจ่ายเขื่อนซิลิโคนสะท้อนแสงสีขาวเพื่อล้อมรอบ CSP สีขาววอร์มและฟลิปชิปสีน้ำเงิน ในที่สุด เต็มไปด้วยซิลิโคนที่มีสารเรืองแสงเพื่อให้โมดูล COB สีคู่สมบูรณ์ดังแสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4 CSP โทนสีอุ่นและ COB ชิปพลิกสีน้ำเงิน (โครงสร้าง 3- การพัฒนา ShineOn)
เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้าง 3 โครงสร้าง 1 มีข้อเสีย 3 ประการ:
(a) การผสมสีระหว่างแหล่งกำเนิดแสง CSP ที่แตกต่างกันใน CCT ที่แตกต่างกันนั้นไม่สม่ำเสมอเนื่องจากการแยกซิลิโคนฟอสเฟอร์ที่เกิดจากชิปของแหล่งกำเนิดแสง CSP
(b) แหล่งกำเนิดแสง CSP เสียหายได้ง่ายจากการสัมผัสทางกายภาพ
(c) ช่องว่างของแหล่งกำเนิดแสง CSP แต่ละตัวนั้นดักจับฝุ่นได้ง่ายเพื่อลดค่าลูเมนของซัง
โครงสร้าง 2 ก็มีข้อเสียเช่นกัน:
(ก) ความยากในการควบคุมกระบวนการผลิตและการควบคุม CIE
(b) การผสมสีระหว่างส่วน CCT ที่แตกต่างกันนั้นไม่สม่ำเสมอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับรูปแบบสนามระยะใกล้
รูปที่ 5 เปรียบเทียบหลอดไฟ MR 16 ที่สร้างด้วยแหล่งกำเนิดแสงของโครงสร้าง 3 (ซ้าย) และโครงสร้าง 1 (ขวา)จากภาพ เราจะพบว่าโครงสร้างที่ 1 มีเฉดสีอ่อนอยู่ตรงกลางบริเวณที่เปล่งแสง ในขณะที่การกระจายความเข้มของการส่องสว่างของโครงสร้าง 3 มีความสม่ำเสมอมากกว่า
การใช้งาน
ในแนวทางของเราโดยใช้โครงสร้าง 3 มีการออกแบบวงจรที่แตกต่างกันสองแบบสำหรับการปรับสีแสงและความสว่างในวงจรช่องสัญญาณเดียวซึ่งมีข้อกำหนดไดรเวอร์ง่ายๆ สาย CSP สีขาวและสายฟลิปชิปสีน้ำเงินจะเชื่อมต่อกันแบบขนาน มีตัวต้านทานคงที่ในสาย CSPเมื่อใช้ตัวต้านทาน กระแสขับจะถูกแบ่งระหว่าง CSP และชิปสีน้ำเงิน ส่งผลให้สีและความสว่างเปลี่ยนไป ผลการปรับแต่งโดยละเอียดแสดงในตารางที่ 1 และรูปที่ 6 กราฟการปรับสีของวงจรช่องสัญญาณเดียวแสดงในรูปที่ 7CCT เพิ่มขึ้นตามกระแสการขับขี่เราได้ตระหนักถึงพฤติกรรมการปรับแต่งสองแบบด้วยหลอดหนึ่งที่เลียนแบบหลอดไฟฮาโลเจนทั่วไปและอีกแบบหนึ่งที่มีลักษณะเป็นเส้นตรงมากขึ้นช่วง CCT ที่ปรับได้คือตั้งแต่ 1800K ถึง 3000K
ตารางที่ 1.Flux และ CCT เปลี่ยนไปตามกระแสขับเคลื่อนของ ShineOn single-channel COB รุ่น 12SA
การปรับแต่งรูปที่ 7CCT พร้อมกับเส้นโค้งของวัตถุสีดำพร้อมกระแสขับในวงจรควบคุมช่องสัญญาณเดียว COB (7a) และทั้งสอง
การปรับพฤติกรรมด้วยความสว่างสัมพัทธ์โดยอ้างอิงกับหลอดฮาโลเจน (7b)
การออกแบบอื่นๆ ใช้วงจรแบบดูอัลแชนเนล โดยที่การจัดเรียง CCT แบบปรับได้นั้นกว้างกว่าวงจรแบบแชนเนลเดียว สตริง CSP และสตริงฟลิปชิปสีน้ำเงินแยกจากกันด้วยระบบไฟฟ้าบนพื้นผิว จึงต้องใช้แหล่งจ่ายไฟพิเศษ สีและความสว่างจะถูกปรับแต่งโดย ขับทั้งสองวงจรในระดับและอัตราส่วนกระแสที่ต้องการสามารถปรับได้ตั้งแต่ 3000k ถึง 5700Kas ดังแสดงในรูปที่ 8 ของ ShineOn dual-channel COB รุ่น 20DA ตารางที่ 2 แสดงรายการผลการปรับแต่งโดยละเอียดซึ่งสามารถจำลองการเปลี่ยนแปลงแสงกลางวันตั้งแต่เช้าถึงเย็นได้อย่างใกล้ชิด ด้วยการรวมการใช้เซ็นเซอร์ตรวจจับและการควบคุมการเข้าใช้ วงจร แหล่งกำเนิดแสงที่ปรับได้นี้ช่วยเพิ่มแสงสีฟ้าในระหว่างวัน และลดการสัมผัสแสงสีฟ้าในตอนกลางคืน ส่งเสริมความเป็นอยู่ที่ดีของผู้คนและประสิทธิภาพของมนุษย์ เช่นเดียวกับฟังก์ชันไฟอัจฉริยะ
สรุป
โมดูล LED แบบปรับได้ได้รับการพัฒนาโดยการรวมเข้าด้วยกัน
แพ็คเกจขนาดชิป (CSP) และเทคโนโลยีชิปออนบอร์ด (COB)ชิปพลิกสีน้ำเงิน CSPsand ถูกรวมไว้บนบอร์ด COB เพื่อให้ได้พลังงานที่มีความหนาแน่นและความสม่ำเสมอของสีสูง โครงสร้างช่องสัญญาณคู่ถูกนำมาใช้เพื่อให้สามารถปรับ CCT ได้กว้างขึ้นในการใช้งานต่างๆ เช่น ระบบไฟเชิงพาณิชย์โครงสร้างช่องสัญญาณเดียวใช้เพื่อให้ได้ฟังก์ชันจากแสงจากน้อยไปจนถึงอุ่น โดยจำลองหลอดไฟฮาโลเจนในการใช้งานต่างๆ เช่น บ้านและการต้อนรับ
978-1-5386-4851-3/17/$31.00 02017 IEEE
การรับทราบ
ผู้เขียนขอขอบคุณเงินทุนจากการวิจัยและพัฒนาหลักแห่งชาติ
โครงการของจีน (หมายเลข 2016YFB0403900)นอกจากนี้ การสนับสนุนจากเพื่อนร่วมงานใน ShineOn (ปักกิ่ง)
Technology Co ได้รับการยอมรับอย่างสุดซึ้ง
อ้างอิง
[1] ฮัน, เอ็น., วู, วาย.-เอช.และ Tang, Y, "การวิจัยอุปกรณ์ KNX
โหนดและการพัฒนาตามโมดูลอินเทอร์เฟซบัส", การประชุมการควบคุมภาษาจีน (CCC) ครั้งที่ 29, 2010, 4346 -4350
[2] Park, T. และ Hong, SH , “ข้อเสนอใหม่ของระบบการจัดการเครือข่ายสำหรับ BACnet และแบบจำลองอ้างอิง”, การประชุมนานาชาติ IEEE ด้านสารสนเทศอุตสาหกรรม (INDIN), 2010, 28-33 ครั้งที่ 8
(3) Wohlers I, Andonov R. และ Klau GW, “DALIX: การจัดตำแหน่งโครงสร้างโปรตีน DALI ที่เหมาะสมที่สุด”, ธุรกรรม IEEE/ACM เกี่ยวกับชีววิทยาเชิงคอมพิวเตอร์และชีวสารสนเทศศาสตร์, 10, 26-36
[4]โดมิงเกซ, เอฟ, ตูฮาฟี, เอ., ติเอเต้, เจ. และสตีน โฮต, เค.,
“อยู่ร่วมกันกับ WiFi สำหรับผลิตภัณฑ์ ZigBee ในบ้านอัตโนมัติ”, การประชุมสัมมนา IEEE 19th เกี่ยวกับการสื่อสารและเทคโนโลยียานพาหนะในเบเนลักซ์ (SCVT), 2012, 1-6
[5] Lin, WJ， Wu, QX และ Huang, YW, "ระบบอ่านมิเตอร์อัตโนมัติจากการสื่อสารสายไฟของ LonWorks", การประชุมนานาชาติเกี่ยวกับเทคโนโลยีและนวัตกรรม (ITIC 2009), 2009,1-5
(6) Ellis, EV, Gonzalez, EW, และคณะ "การปรับแสงตามฤดูกาลอัตโนมัติด้วย LED: แสงสว่างที่ยั่งยืนเพื่อสุขภาพและความเป็นอยู่ที่ดี", การดำเนินการของการประชุมวิจัย ARCC Spring ประจำปี 2013, มี.ค. 2013
[7] เอกสารไวท์เปเปอร์ของกลุ่มวิทยาศาสตร์แสงสว่าง, "แสงสว่าง: หนทางสู่สุขภาพและผลผลิต", 25 เมษายน 2016
(8) Figueiro, MG, Bullough, JD, et al, "หลักฐานเบื้องต้นสำหรับการเปลี่ยนแปลงความไวสเปกตรัมของระบบ circadian ในเวลากลางคืน", Journal of Circadian Rhythms 3:14กุมภาพันธ์ 2548
[9]อินานิชี, เอ็ม,เบรนแนน,เอ็ม, คลาร์ก, อี,"สเปกตรัมแสงกลางวัน"
การจำลอง: Computing Circadian Light" การประชุมครั้งที่ 14 ของสมาคมการจำลองประสิทธิภาพอาคารนานาชาติ ไฮเดอราบัด ประเทศอินเดีย ธันวาคม 2558