وحدات LED قابلة للضبط تعتمد على CSP-COB
خلاصة: أشارت الأبحاث إلى العلاقة بين لون مصادر الضوء ودورة الساعة البيولوجية للإنسان. لقد أصبح ضبط الألوان ليتوافق مع الاحتياجات البيئية أكثر أهمية في تطبيقات الإضاءة عالية الجودة. يجب أن يُظهر الطيف المثالي للضوء صفات أقرب إلى ضوء الشمس مع CRI مرتفع، ولكنه مثالي. متناغم مع حساسية الإنسان.يجب تصميم الضوء المتمركز حول الإنسان (HCL) وفقًا للبيئة المتغيرة مثل المرافق متعددة الاستخدام والفصول الدراسية والرعاية الصحية ولخلق أجواء وجماليات.تم تطوير وحدات LED القابلة للضبط من خلال الجمع بين حزم مقياس الرقاقة (CSP) وتقنية الرقاقة الموجودة على اللوحة (COB).يتم دمج CSPs على لوحة COB لتحقيق كثافة طاقة عالية وتوحيد الألوان، مع إضافة وظيفة جديدة لضبط الألوان. يمكن ضبط مصدر الضوء الناتج بشكل مستمر من الإضاءة الملونة الساطعة والباردة خلال النهار إلى الإضاءة الخافتة والأكثر دفئًا في المساء، توضح هذه الورقة تفاصيل تصميم ومعالجة وأداء وحدات LED وتطبيقها في الإضاءة السفلية LED ذات التعتيم الدافئ والإضاءة المعلقة.
الكلمات الدالة:HCL، الإيقاعات اليومية، LED القابل للضبط، CCT المزدوج، التعتيم الدافئ، CRI
مقدمة
إن LED كما نعرفه موجود منذ أكثر من 50 عامًا.التطور الأخير لمصابيح LED البيضاء هو ما جعلها محط أنظار الجمهور كبديل لمصادر الضوء الأبيض الأخرى. بالمقارنة مع مصادر الإضاءة التقليدية، لا تقدم مصابيح LED مزايا توفير الطاقة والعمر الطويل فحسب، بل تفتح الباب أيضًا مرونة التصميم الجديدة للتحويل الرقمي وضبط الألوان. هناك طريقتان أساسيتان لإنتاج الثنائيات الباعثة للضوء الأبيض (WLEDs) التي تولد ضوءًا أبيض عالي الكثافة. إحداهما هي استخدام مصابيح LED فردية تنبعث منها ثلاثة ألوان أساسية - الأحمر والأخضر والأزرق - ثم مزج ثلاثة ألوان لتكوين الضوء الأبيض. والآخر هو استخدام مواد الفوسفور لتحويل ضوء LED الأزرق أو البنفسجي أحادي اللون إلى ضوء أبيض واسع الطيف، بنفس الطريقة التي تعمل بها لمبة الفلورسنت. ومن المهم ملاحظة ذلك أن "بياض" الضوء الناتج مصمم بشكل أساسي ليناسب العين البشرية، واعتمادًا على الموقف، قد لا يكون من المناسب دائمًا التفكير فيه على أنه ضوء أبيض.
تعد الإضاءة الذكية مجالًا رئيسيًا في المباني الذكية والمدينة الذكية في الوقت الحاضر. ويشارك عدد متزايد من الشركات المصنعة في تصميم وتركيب الإضاءة الذكية في الإنشاءات الجديدة. والنتيجة هي أنه يتم تنفيذ قدر كبير من أنماط الاتصال في ماركات مختلفة من المنتجات ، مثل KNx ) BACnetP'، DALI، ZigBee-ZHAZBA'، PLC-Lonworks، وما إلى ذلك. إحدى المشكلات الحاسمة في جميع هذه المنتجات هي أنها لا تستطيع التفاعل مع بعضها البعض (أي انخفاض التوافق وقابلية التوسع).
كانت مصابيح LED التي تتمتع بالقدرة على توفير ألوان إضاءة متنوعة متواجدة في سوق الإضاءة المعمارية منذ الأيام الأولى لإضاءة الحالة الصلبة (SSL). ومع ذلك، تظل الإضاءة القابلة للضبط اللوني عملاً قيد التقدم وتتطلب قدرًا معينًا من الواجبات المنزلية من قبل محدد إذا كان التثبيت ناجحًا.هناك ثلاث فئات أساسية لأنواع ضبط الألوان في مصابيح LED: ضبط اللون الأبيض، وضبط اللون الخافت إلى الدافئ، وضبط اللون الكامل. ويمكن التحكم في جميع الفئات الثلاث بواسطة جهاز إرسال لاسلكي باستخدام Zigbee، أو Wi-Fi، أو Bluetooth أو البروتوكولات الأخرى، وهي متصلة بقوة ببناء الطاقة. وبسبب هذه الخيارات، يوفر LED حلولاً ممكنة لتغيير اللون أو CCT لتلبية إيقاعات الساعة البيولوجية البشرية.
إيقاعات الساعة البيولوجية
تظهر النباتات والحيوانات أنماطًا من التغيرات السلوكية والفسيولوجية على مدار 24 ساعة تقريبًا وتتكرر على مدار أيام متتالية، وهذه هي إيقاعات الساعة البيولوجية. وتتأثر إيقاعات الساعة البيولوجية بالإيقاعات الخارجية والداخلية.
يتم التحكم في إيقاع الساعة البيولوجية بواسطة الميلاتونين، وهو أحد الهرمونات الرئيسية التي يتم إنتاجها في الدماغ.كما أنه يحفز النعاس أيضًا. تحدد مستقبلات الميلانوبسين المرحلة البيولوجية بالضوء الأزرق عند الاستيقاظ عن طريق إيقاف إنتاج الميلاتونين. إن التعرض لنفس الأطوال الموجية الزرقاء للضوء في المساء سوف يتداخل مع النوم ويعطل إيقاع الساعة البيولوجية. عدم تزامن الساعة البيولوجية يمنع الجسم من النوم. الدخول بشكل كامل في مختلف مراحل النوم، وهو وقت تعافي بالغ الأهمية لجسم الإنسان. علاوة على ذلك، فإن تأثير اضطراب الساعة البيولوجية يمتد إلى ما هو أبعد من التركيز الذهني أثناء النهار والنوم ليلاً.
يمكن قياس الإيقاعات البيولوجية لدى البشر بعدة طرق عادةً، دورة النوم/الاستيقاظ، ودرجة حرارة الجسم الأساسية، وتركيز الميلاتونين، وتركيز الكورتيزول، وتركيز ألفا أميليز8. لكن الضوء هو المتزامن الأساسي لإيقاعات الساعة البيولوجية مع الموقع المحلي على الأرض، لأن يمكن أن تؤثر شدة الضوء وتوزيع الطيف والتوقيت والمدة على نظام الساعة البيولوجية البشرية. وهذا يؤثر أيضًا على الساعة الداخلية اليومية.يمكن لوقت التعرض للضوء أن يتقدم أو يؤخر الساعة الداخلية. ستؤثر إيقاعات الساعة البيولوجية على أداء الإنسان وراحته وما إلى ذلك. نظام الساعة البيولوجية البشرية هو الأكثر حساسية للضوء عند 460 نانومتر (المنطقة الزرقاء من الطيف المرئي)، في حين أن النظام البصري هو الأكثر حساسية. إلى 555 نانومتر (المنطقة الخضراء). لذا أصبحت كيفية استخدام CCT القابلة للضبط والكثافة لتحسين نوعية الحياة أكثر أهمية. ويمكن تطوير مصابيح LED قابلة للضبط بالألوان مع نظام استشعار وتحكم متكامل لتلبية متطلبات الإضاءة الصحية عالية الأداء .
الشكل 1: للضوء تأثير مزدوج على صورة الميلاتونين على مدار 24 ساعة، التأثير الحاد وتأثير تحويل الطور.
تصميم الطرد
عند ضبط سطوع الهالوجين التقليدي
المصباح، سيتم تغيير اللون.ومع ذلك، فإن مصابيح LED التقليدية غير قادرة على ضبط درجة حرارة اللون أثناء تغيير السطوع، مما يحاكي نفس التغيير لبعض الإضاءة التقليدية.في الأيام السابقة، كانت العديد من المصابيح تستخدم مصابيح LED مع مصابيح CCT LED مختلفة مدمجة على لوحة PCB
تغيير لون الإضاءة عن طريق تغيير تيار القيادة.إنها تحتاج إلى تصميم معقد لوحدة إضاءة الدائرة للتحكم في CCT، وهي ليست مهمة سهلة بالنسبة لمصنع وحدات الإنارة. مع تقدم تصميم الإضاءة، تتطلب تركيبات الإضاءة المدمجة مثل الأضواء الموضعية والأضواء السفلية، وحدات LED صغيرة الحجم وعالية الكثافة، من أجل تلبية متطلبات ضبط الألوان ومصدر الضوء المدمج، تظهر COBs الملونة القابلة للضبط في السوق.
هناك ثلاثة هياكل أساسية لأنواع ضبط الألوان، الأول، يستخدم رابط CCT CSP الدافئ وترابط CCT CsP البارد على لوحة PCB مباشرة كما هو موضح في الشكل 2. النوع الثاني COB القابل للضبط مع LES مملوء بخطوط متعددة من فوسفور CCT مختلف السيليكون كما هو موضح في الشكل
3. في هذا العمل، يتم اتباع نهج ثالث عن طريق مزج مصابيح CCT CSP LED الدافئة مع رقائق الوجه الزرقاء واللحام الملتصق على الركيزة. ثم يتم توزيع سد السيليكون العاكس الأبيض لتطويق CSPs الأبيض الدافئ والرقائق الزرقاء. أخيرًا ، وهي مليئة بالسيليكون المحتوي على الفوسفور لإكمال وحدة COB ثنائية اللون كما هو موضح في الشكل 4.
الشكل 4: اللون الدافئ CSP ورقاقة الوجه الزرقاء COB (الهيكل 3- تطوير ShineOn)
بالمقارنة مع الهيكل 3، فإن الهيكل 1 له ثلاثة عيوب:
(أ) خلط الألوان بين مصادر الضوء المختلفة CSP في CCTs المختلفة ليس موحدًا بسبب فصل السيليكون الفوسفوري الناتج عن رقائق مصادر الضوء CSP؛
(ب) يتلف مصدر ضوء CSP بسهولة بلمسة مادية؛
(ج) من السهل أن تؤدي الفجوة الموجودة في كل مصدر ضوء CSP إلى احتجاز الغبار للتسبب في تقليل تجويف COB؛
الهيكل 2 له أيضًا عيوبه:
(أ) صعوبة مراقبة عملية التصنيع ومراقبة CIE؛
(ب) خلط الألوان بين أقسام CCT المختلفة ليس موحدًا، خاصة بالنسبة لنمط المجال القريب.
يقارن الشكل 5 مصابيح MR 16 المبنية بمصدر ضوء للهيكل 3 (يسار) والهيكل 1 (يمين).من الصورة، يمكننا أن نجد الهيكل 1 لديه ظل خفيف في وسط منطقة الانبعاث، في حين أن توزيع شدة الإضاءة للهيكل 3 أكثر اتساقا.
التطبيقات
في نهجنا باستخدام الهيكل 3، يوجد تصميمان مختلفان للدوائر لضبط لون الضوء والسطوع.في دائرة أحادية القناة والتي لها متطلبات تشغيل بسيطة، يتم توصيل سلسلة CSP البيضاء وسلسلة الرقاقة الزرقاء على التوازي. يوجد مقاومة ثابتة في سلسلة CSP.مع المقاوم، يتم تقسيم تيار القيادة بين CSPs والرقائق الزرقاء مما يؤدي إلى تغيير اللون والسطوع. تظهر نتائج الضبط التفصيلية في الجدول 1 والشكل 6. يظهر منحنى ضبط اللون للدائرة أحادية القناة في الشكل 7.يزيد CCT مع تيار القيادة.لقد حققنا سلوكين للضبط، أحدهما يحاكي لمبة الهالوجين التقليدية والآخر ضبط خطي أكثر.يتراوح نطاق CCT القابل للضبط من 1800K إلى 3000K.
الجدول 1.يتغير التدفق وCCT مع تيار القيادة لـ ShineOn أحادي القناة COB Model 12SA
ضبط الشكل 7CCT جنبًا إلى جنب مع منحنى الجسم الأسود مع تيار القيادة في دائرة COB (7a) ذات القناة الواحدة والاثنان
ضبط السلوكيات مع النصوع النسبي في إشارة إلى مصباح الهالوجين (7 ب)
يستخدم التصميم الآخر دائرة ثنائية القناة حيث يكون ترتيب CCT القابل للضبط أوسع من الدائرة أحادية القناة. يتم فصل سلسلة CSP وسلسلة الرقاقة الزرقاء كهربائيًا على الركيزة وبالتالي فهي تتطلب مصدر طاقة خاصًا. ويتم ضبط اللون والسطوع بواسطة قيادة الدائرتين عند المستوى والنسبة الحالية المطلوبة.يمكن ضبطه من 3000 كيلو إلى 5700 كيلو كما هو موضح في الشكل 8 من طراز ShineOn ثنائي القناة COB 20DA. يسرد الجدول 2 نتيجة الضبط التفصيلية التي يمكن أن تحاكي بشكل وثيق تغير ضوء النهار من الصباح إلى المساء. من خلال الجمع بين استخدام مستشعر الإشغال والتحكم الدوائر، يساعد مصدر الضوء القابل للضبط هذا على زيادة التعرض للضوء الأزرق أثناء النهار وتقليل التعرض للضوء الأزرق أثناء الليل، مما يعزز رفاهية الأشخاص والأداء البشري، بالإضافة إلى وظائف الإضاءة الذكية.
ملخص
تم تطوير وحدات LED القابلة للضبط من خلال الجمع
حزم مقياس الرقاقة (CSP) وتقنية الرقاقة الموجودة على اللوحة (COB).تم دمج CSPs ورقاقة الوجه الزرقاء على لوحة COB لتحقيق كثافة طاقة عالية وتوحيد الألوان، ويتم استخدام هيكل ثنائي القناة لتحقيق ضبط CCT أوسع في تطبيقات مثل الإضاءة التجارية.يتم استخدام بنية أحادية القناة لتحقيق وظيفة خافتة إلى دافئة لمحاكاة مصباح الهالوجين في تطبيقات مثل المنزل والضيافة.
978-1-5386-4851-3/17/31.00 دولارًا 02017 IEEE
إعتراف
ويود المؤلفون أن يعترفوا بالتمويل المقدم من "المفتاح الوطني للبحث والتطوير".
برنامج الصين (رقم 2016YFB0403900).بالإضافة إلى ذلك، الدعم من الزملاء في ShineOn (بكين)
شركة التكنولوجيا، كما يتم الاعتراف بامتنان.
مراجع
[1] هان، إن، وو، واي.-إتش.وتانغ، واي، "أبحاث جهاز KNX
العقدة والتطوير بناءً على وحدة واجهة الناقل"، مؤتمر التحكم الصيني التاسع والعشرون (CCC)، 2010، 4346 -4350.
[2] بارك، ت. وهونغ، إس إتش، "اقتراح جديد لنظام إدارة الشبكة لـ BACnet ونموذجها المرجعي"، مؤتمر IEEE الدولي الثامن للمعلوماتية الصناعية (INDIN)، 2010، 28-33.
[3]Wohlers I, Andonov R. and Klau GW, "DALIX: محاذاة هيكل بروتين DALI الأمثل"، معاملات IEEE/ACM في البيولوجيا الحاسوبية والمعلوماتية الحيوية، 10، 26-36.
[4] دومينغيز، ف، توهافي، أ.، تييتي، ج. وستين هوت، ك.،
"التعايش مع شبكة WiFi لمنتج زيجبي لأتمتة المنزل"، الندوة التاسعة عشرة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات حول الاتصالات وتكنولوجيا المركبات في البنلوكس (SCVT)، 2012، 1-6.
[5]Lin, WJ, Wu, QX and Huang, YW، "نظام قراءة العدادات التلقائي يعتمد على اتصالات خطوط الطاقة في LonWorks"، المؤتمر الدولي للتكنولوجيا والابتكار (ITIC 2009)، 2009،1-5.
[6] إليس، إيف، غونزاليس، إي دبليو، وآخرون، "الضبط التلقائي لضوء النهار باستخدام مصابيح LED: الإضاءة المستدامة للصحة والرفاهية"، وقائع مؤتمر أبحاث الربيع ARCC لعام 2013، مارس 2013.
[7] الورقة البيضاء لمجموعة علوم الإضاءة، "الإضاءة: الطريق إلى الصحة والإنتاجية"، 25 أبريل 2016.
[8] فيجويرو، إم جي، بولو، جي دي، وآخرون، "أدلة أولية على حدوث تغيير في الحساسية الطيفية لنظام الساعة البيولوجية في الليل"، مجلة إيقاعات الساعة البيولوجية 3:14.فبراير 2005.
[9] إينانيسي، إم، برينان، إم، كلارك، إي، "ضوء النهار الطيفي".
المحاكاة: حساب الضوء اليومي"، المؤتمر الرابع عشر للجمعية الدولية لمحاكاة أداء البناء، حيدر أباد، الهند، ديسمبر 2015.