Modules LED réglables basés sur CSP-COB
Abstrait: La recherche a indiqué la corrélation entre la couleur des sources lumineuses et le cycle circadien humain. L'adaptation des couleurs aux besoins environnementaux est devenue de plus en plus importante dans les applications d'éclairage de haute qualité. Un spectre de lumière parfait devrait présenter les qualités les plus proches de la lumière du soleil avec un IRC élevé, mais est idéalement à l'écoute de la sensibilité humaine.Une lumière centrée sur l'humain (HCL) doit être conçue en fonction des changements dans l'environnement, tels que les installations polyvalentes, les salles de classe, les soins de santé, et pour créer une ambiance et une esthétique.Les modules LED accordables ont été développés en combinant la technologie Chip Scale Packages (CSP) et Chip on Board (COB).Les CSP sont intégrés sur une carte COB pour obtenir une densité de puissance élevée et une uniformité des couleurs, tout en ajoutant une nouvelle fonction d'accordabilité des couleurs. La source de lumière résultante peut être réglée en continu d'un éclairage coloré brillant et plus froid pendant la journée à un éclairage plus tamisé et plus chaud le soir, Cet article détaille la conception, le processus et les performances des modules LED et son application dans les luminaires et suspensions LED à gradation chaude.
Mots clés:HCL, rythmes circadiens, LED réglable, double CCT, gradation chaude, CRI
Introduction
La LED telle que nous la connaissons existe depuis plus de 50 ans.Le développement récent des LED blanches est ce qui l'a fait connaître au public en remplacement d'autres sources de lumière blanche. Par rapport aux sources de lumière traditionnelles, la LED présente non seulement les avantages d'une économie d'énergie et d'une longue durée de vie, mais ouvre également la porte à nouvelle flexibilité de conception pour la numérisation et le réglage des couleurs. Il existe deux manières principales de produire des diodes électroluminescentes blanches (WLED) qui génèrent une lumière blanche de haute intensité. La première consiste à utiliser des LED individuelles qui émettent trois couleurs primaires : rouge, vert et bleu. - puis mélangez trois couleurs pour former une lumière blanche. L'autre consiste à utiliser des matériaux phosphorescents pour convertir la lumière LED monochromatique bleue ou violette en lumière blanche à large spectre, de la même manière qu'une ampoule fluorescente fonctionne. Il est important de noter que la « blancheur » de la lumière produite est essentiellement conçue pour convenir à l'œil humain et qu'en fonction de la situation, il n'est pas toujours approprié de la considérer comme de la lumière blanche.
L'éclairage intelligent est aujourd'hui un domaine clé du bâtiment intelligent et de la ville intelligente. Un nombre croissant de fabricants participent à la conception et à l'installation d'éclairages intelligents dans les nouvelles constructions. La conséquence est qu'un grand nombre de modèles de communication sont mis en œuvre dans différentes marques de produits. ，tels que KNx) BACnetP',DALI，ZigBee-ZHAZBA'，PLC-Lonworks, etc. Un problème critique de tous ces produits est qu'ils ne peuvent pas interagir les uns avec les autres (c'est-à-dire une faible compatibilité et extensibilité).
Les luminaires LED capables de fournir différentes couleurs de lumière sont présents sur le marché de l'éclairage architectural depuis les débuts de l'éclairage à semi-conducteurs (SSL). Cependant, l'éclairage à couleurs réglables reste un travail en cours et nécessite un certain travail de la part du spécificateur si l'installation doit réussir.Il existe trois catégories de base de types de réglage des couleurs dans les luminaires LED : réglage du blanc, réglage de l'intensité à chaud et réglage des couleurs. Les trois catégories peuvent être contrôlées par un émetteur sans fil utilisant Zigbee, Wi-Fi, Bluetooth ou d'autres protocoles et sont câblés pour construire l'alimentation. Grâce à ces options, les LED offrent des solutions possibles pour changer de couleur ou de CCT afin de répondre aux rythmes circadiens humains.
Rythmes circadiens
Les plantes et les animaux présentent des modèles de changements comportementaux et physiologiques sur un cycle d'environ 24 heures qui se répètent au fil des jours successifs : ce sont les rythmes circadiens. Les rythmes circadiens sont influencés par les rythmes exogènes et endogènes.
Le rythme circadien est contrôlé par la mélatonine, l'une des principales hormones produites dans le cerveau.Et cela induit également de la somnolence. Les récepteurs de la mélanopsine règlent la phase circadienne avec la lumière bleue au réveil en arrêtant la production de mélatonine. L'exposition aux mêmes longueurs d'onde bleues de la lumière le soir interférera avec le sommeil et perturbera le rythme circadien. La désynchronisation circadienne empêche le corps de entrer pleinement dans les différentes phases du sommeil, qui constituent une période de récupération critique pour le corps humain. De plus, l'impact des perturbations circadiennes s'étend au-delà de la pleine conscience pendant la journée et du sommeil la nuit.
Les rythmes biologiques chez l'homme peuvent généralement être mesurés de plusieurs manières, le cycle veille/sommeil, la température corporelle centrale, la concentration de mélatonine, la concentration de cortisol et la concentration d'alpha amylase8. Mais la lumière est le principal synchroniseur des rythmes circadiens avec la position locale sur terre, car la L'intensité lumineuse, la distribution du spectre, le timing et la durée peuvent influencer le système circadien humain. Cela affecte également l'horloge interne quotidienne.Le temps d'exposition à la lumière peut soit avancer, soit retarder l'horloge interne. Les rythmes circadiens influenceront les performances et le confort de l'humain, etc. Le système circadien humain est le plus sensible à la lumière à 460 nm (région bleue du spectre visible), alors que le système visuel est le plus sensible. à 555 nm (région verte). Ainsi, comment utiliser le CCT et l'intensité réglables pour améliorer la qualité de vie devient de plus en plus important. .
Fig.1 La lumière a un double effet sur le profil de mélatonine sur 24 heures, un effet aigu et un effet de changement de phase.
Conception de l'emballage
Lorsque vous réglez la luminosité d'un halogène conventionnel
lampe, la couleur sera changée.Cependant, les LED conventionnelles ne sont pas capables de régler la température de couleur tout en modifiant la luminosité, imitant le même changement que certains éclairages conventionnels.Dans les premiers jours, de nombreuses ampoules utilisaient des LED avec différentes LED CCT combinées sur la carte PCB pour
changez la couleur de l'éclairage en changeant le courant de conduite.Il nécessite une conception complexe de modules d'éclairage de circuit pour contrôler le CCT, ce qui n'est pas une tâche facile pour le fabricant de luminaires. À mesure que la conception de l'éclairage progresse, les luminaires compacts tels que les spots et les downlights nécessitent des modules LED de petite taille et haute densité, afin de Répondant à la fois aux exigences de réglage des couleurs et de source de lumière compacte, des COB de couleur réglables apparaissent sur le marché.
Il existe trois structures de base de types de réglage des couleurs, la première utilise la liaison CCT CSP chaude et CCT CsP froide directement sur la carte PCB, comme illustré dans la figure 2. Le deuxième type COB accordable avec LES rempli de plusieurs bandes de différents phosphores CCT silicones comme indiqué sur la figure
3. Dans ce travail, une troisième approche consiste à mélanger des LED CCT CSP chaudes avec des flip-chips bleus et à souder étroitement sur un substrat. Ensuite, un barrage en silicone réfléchissant blanc est distribué pour entourer les CSP blanc chaud et les flip-chips bleus. Enfin , il est rempli de silicone contenant du phosphore pour compléter le module COB bicolore, comme indiqué sur la Fig.4.
Fig.4 CSP de couleur chaude et COB à puce retournée bleue (Structure 3 - Développement ShineOn)
Par rapport à la Structure 3, la Structure 1 présente trois inconvénients :
(a) Le mélange de couleurs entre les différentes sources lumineuses CSP dans les différents CCT n'est pas uniforme en raison de la ségrégation du silicone phosphorescent provoquée par les puces des sources lumineuses CSP ;
(b) La source lumineuse CSP est facilement endommagée par un contact physique ;
(c) L'espace de chaque source de lumière CSP permet de piéger facilement la poussière et de provoquer une réduction de la lumière du COB ;
Structure2 a aussi ses inconvénients :
a) Difficulté de contrôle des processus de fabrication et de contrôle CIE ;
(b) Le mélange de couleurs entre les différentes sections CCT n'est pas uniforme, en particulier pour le motif en champ proche.
La figure 5 compare les lampes MR 16 construites avec la source lumineuse de la Structure 3 (à gauche) et de la Structure 1 (à droite).Sur l'image, nous pouvons constater que la Structure 1 a une teinte claire au centre de la zone émettrice, tandis que la distribution de l'intensité lumineuse de la Structure 3 est plus uniforme.
Applications
Dans notre approche utilisant la structure 3, il existe deux conceptions de circuits différentes pour le réglage de la couleur de la lumière et de la luminosité.Dans un circuit monocanal qui a une exigence de pilote simple, la chaîne CSP blanche et la chaîne bleue à puce retournée sont connectées en parallèle. Il y a une résistance fixe dans la chaîne CSP.Avec la résistance, le courant de commande est divisé entre les CSP et les blue chips, ce qui entraîne un changement de couleur et de luminosité. Les résultats de réglage détaillés sont présentés dans le tableau 1 et la figure 6. La courbe de réglage des couleurs du circuit monocanal est présentée dans la figure 7.Le CCT augmente à mesure que le courant de commande.Nous avons réalisé deux comportements de réglage, l'un émulant une ampoule halogène conventionnelle et l'autre un réglage plus linéaire.La plage CCT réglable va de 1 800 K à 3 000 K.
Tableau 1.Changement de flux et de CCT avec le courant de commande du modèle COB monocanal ShineOn 12SA
Fig.7 Accord CCT avec courbe de corps noir avec courant de commande dans le COB (7a) contrôlé par circuit monocanal et les deux
comportements de réglage avec luminance relative en référence à une lampe halogène (7b)
L'autre conception utilise un circuit à double canal où l'arrangement accordable CCT est plus large que le circuit à canal unique. La chaîne CSP et la chaîne à puce retournée bleue sont électriquement séparées sur le substrat et nécessitent donc une alimentation spéciale. La couleur et la luminosité sont réglées par piloter les deux circuits au niveau et au rapport de courant souhaités.Il peut être réglé de 3 000 K à 5 700 Ka, comme le montre la figure 8 du modèle COB à double canal ShineOn 20DA. Le tableau 2 répertorie les résultats de réglage détaillés qui peuvent simuler de près le changement de lumière du jour du matin au soir. En combinant l'utilisation d'un capteur de présence et d'un contrôle. circuits ， cette source de lumière réglable aide à augmenter l'exposition à la lumière bleue pendant la journée et à réduire l'exposition à la lumière bleue pendant la nuit ， favorisant le bien-être et la performance humaine des personnes, ainsi que des fonctions d'éclairage intelligentes.
Résumé
Les modules LED accordables ont été développés en combinant
les packages à l'échelle des puces (CSP) et la technologie des puces à bord (COB).Les puces CSP et bleues sont intégrées sur une carte COB pour obtenir une densité de puissance élevée et une uniformité des couleurs. La structure à double canal est utilisée pour obtenir un réglage CCT plus large dans des applications telles que l'éclairage commercial.La structure à canal unique est utilisée pour obtenir une fonction d'intensité variable imitant une lampe halogène dans des applications telles que la maison et l'hôtellerie.
978-1-5386-4851-3/17/31,00 $ 02017 IEEE
Reconnaissance
Les auteurs tiennent à remercier le financement de The National Key Research and Development
Programme de Chine (n° 2016YFB0403900).De plus, le soutien des collègues de ShineOn (Pékin)
Technology Co, est également reconnaissante.
Les références
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