ملخص
تقدم هذه الورقة طريقة تعويض درجة الحرارة لمزج مصابيح LED من نوع RGBW بناءً على خوارزمية الجينات للفرز غير المسيطر عليه السريع (NSGA-II). يمكن للطريقة المقترحة تحقيق التعويض عن التغيرات الناتجة عن درجة الحرارة في درجة حرارة اللون المترابطة (CCT) لمصابيح LED، ودقة اللون (Rf)، ومؤشر نطاق الألوان (Rg) من خلال التنبؤ بتوزيع القدرة الطيفية (SPD) عند درجات حرارة مختلفة.
النتائج الرئيسية: The experimental results show that the fit of the established temperature-spectral model is R²>0.98, and the deviation of the compensated mixing results from the initial state of the light source is less than 10K in CCT; the deviation value of Rf is less than 4% in the range of 2000K-7000K, and less than 2.15% in the range of 3000K-7000K; and the deviation value of Rg in the range of 2000K-7000K is less than 4.46%.
مؤشرات الأداء الرئيسية
Research Highlights
التعويض الحراري القائم على NSGA-II
تستخدم هذه الطريقة خوارزمية الترتيب الوراثي السريع غير المسيطر عليه (NSGA-II) لتعويض التغيرات الناجمة عن درجة الحرارة في معلمات لون LED، مما يحقق اتساقًا عاليًا في المخرجات عبر التغيرات الحرارية.
النمذجة الطيفية الشاملة
إنشاء نموذج SPD-درجة الحرارة لمصدر ضوء LED من نوع RGBW من خلال قياس توزيع طاقة الطيف عند درجات حرارة مختلفة، مع تحقيق قيم R² أعلى من 0.98 لجميع النماذج المطابقة.
التحسين متعدد الأهداف
يُحسن انحراف CT وصدق الألوان Rf ومؤشر النطاق اللوني Rg في وقت واحد مع إعطاء الأولوية لتعويض CCT، يليه Rf ثم Rg.
تعويض فعال عبر نطاق درجات الحرارة
تحافظ الطريقة على أداء متسق عبر نطاق واسع من درجات الحرارة (من 20°C إلى 90°C) ونطاق CCT (من 2000K إلى 7000K)، مما يقلل بشكل كبير من الانحرافات الناجمة عن تغيرات درجة الحرارة.
التنفيذ العملي
يستخدم تحكم دورة عمل PWM للتنفيذ العملي، مع تقسيم عملية التعويض إلى مراحل تعويض طاقة اللون وتعويض الإضاءة.
LED الأحمر الأكثر حساسية لدرجة الحرارة
تظهر النتائج البحثية أن LED الأحمر هو الأكثر تأثرًا بدرجة الحرارة، حيث تنخفض قيمته القصوى عند 90°C بأكثر من 60% مقارنة بـ 20°C، بينما تظهر LEDات الزرقاء والخضراء انخفاضات بنسبة 20% و22% على التوالي.
نظرة عامة على المحتوى
محتويات المستند
1. المقدمة
مع تقدم تكنولوجيا الإضاءة، لم يعد الناس راضين عن استخدام مصابيح LED أحادية اللون للإضاءة. يميل المزيد من الأشخاص الآن إلى استخدام مصادر ضوء LED قابلة للتعديل. يمكن لخيارات الإضاءة المختلفة خلق بيئات عمل ومعيشة أكثر راحة. يمكن للإضاءة المناسبة زيادة إنتاجية الناس وتؤدي إلى راحة أفضل.
مقارنة بمصادر الضوء التقليدية، تتمتع مصادر ضوء LED بمزايا مثل الحجم الأصغر، واستهلاك الطاقة الأقل، والعمر الأطول. ومع ذلك، تعتبر درجة الحرارة عاملاً حاسماً يؤثر على جودة مصادر الضوء. يمكن أن يتسبب التسخين الداخلي والظروف الخارجية القاسية في تغيرات في درجة حرارة تشغيل مصابيح LED، مما يؤدي إلى انحرافات في المعلمات ويؤثر على استقرار وأداء مصادر الضوء.
يقدم ظهور مصادر الضوء LED ذات درجة حرارة اللون المترابطة القابلة للتعديل حلاً محتملاً لمشكلة انخفاض جودة إخراج الضوء بسبب التأثيرات الحرارية. حالياً، ينقسم البحث عن مصادر الضوء LED ذات درجة حرارة اللون المترابطة القابلة للتعديل بشكل عام إلى ثلاث طرق:
- استخدام مصباحين LED أبيضين بدرجتي حرارة لون مترابط مختلفتين
- استخدام مصابيح LED أحادية اللون متعددة
- استخدام مزيج من مصابيح LED أحادية اللون ومصابيح LED البيضاء
تركز هذه الورقة على استكشاف الأداء الإضاءة الأمثل لمصابيح RGBW LEDs بهدف تقليل أو حتى القضاء على الاختلافات في إضاءة LED الناجمة عن تسخين مصابيح LED نفسها أو بسبب تأثيرات درجة الحرارة الخارجية.
وصف التجربة
2.1 مبدأ خلط الضوء متعدد الألوان وتقييم مصدر الضوء
يعتمد لون مصدر الضوء وقدرته على إعادة إنتاج ألوان الأشياء المضاءة بدقة على توزيع القدرة الطيفية لمصدر الضوء. إن توزيع القدرة الطيفية لمجموعة من مصادر الضوء متعددة الألوان هو المجموع الخطي لتوزيعات القدرة الطيفية الفردية:
SRGBW = Kr * Sr + Kg * Sg + Kb * Sb + Kw * Sw
يُوصف ضوء الصمام الثنائي الباعث للضوء الأبيض عادةً من حيث درجة حرارة اللون. تُعرّف درجة حرارة اللون بأنها درجة الحرارة التي يشع عندها الجسم الأسود ضوءًا يتطابق مع لون مصدر الضوء.
تُقيّم قدرة مصدر الضوء على إعادة إنتاج ألوان الأجسام المضاءة بدقة عادةً باستخدام المقياس المعياري المُسَمّى CRI (مؤشر تجسيد اللون) من اللجنة الدولية للإضاءة (CIE). ومع تقدم الأبحاث حول مصادر الضوء، وُجد أن مؤشر تجسيد اللون CRI له بعض القيود في تقييم ألوان معينة. لذلك، تستخدم هذه البحث مؤشر الدقة اللونية Rf ومؤشر النطاق اللوني Rg من جمعية هندسة الإضاءة (IES) كمعايير لتقييم أداء الإضاءة لمصادر الضوء.
يستخدم مؤشر دقة الألوان ومؤشر نطاق الألوان 99 عينة لون، مما يعد أكثر شمولاً من مؤشر تجسيد الألوان القياسي الذي يستخدم عادة 15 عينة لون، مما يتيح تقييماً أكثر شمولاً لأداء الضوء في تمثيل الألوان.
يتم حساب Rf استناداً إلى المسافة الإقليدية في فضاء اللون J'a'b' كمعادلة الفرق اللوني القياسية في CAM02-UCS:
ΔElab,i = √((ft,i - fr,i)2 + (at,i - ar,i)2 + (بt,i - بr,i)2)
Rg هو مقياس للكرما يمثل نسبة مساحة المضلع المشكل من متوسط الإحداثيات في كل صندوق زاوية لون إلى مساحة المضلع المشكل من المنير المرجعي:
Rg = 100 * At / Ar
لتوفير تقييم أكثر وضوحًا لنتائج الإضاءة المختلطة، يتم استخدام نظام تسجيل لتحديد النتائج كميًا:
S = 100 - cct/10 - 2 * (100 - Rf) - |100 - Rg|
2.2 إنشاء نموذج توزيع القدرة الطيفية لدرجة حرارة LED
بسبب الخصائص المتأصلة لمصابيح LED، فإن توزيع القدرة الطيفية (SPD) الخاص بها يتحول مع تغير درجة الحرارة. بشكل عام، لمصابيح LED الثلاثية الأحمر والأخضر والأزرق، تشهد أطوال الموجة القصوى انزياحًا نحو الأحمر، وتتناقص القيم القصوى مع زيادة درجة الحرارة.
اختبر البحث توزيع القدرة الطيفية لمصابيح LED الحمراء والخضراء والزرقاء والبيضاء على فترات 10°مئوية من 20°مئوية إلى 90°مئوية. تأثر مصباح LED الأحمر بالحرارة بشكل أكبر، حيث انخفضت قيمته القصوى عند 90°مئوية بأكثر من 60% مقارنة بقيمته القصوى عند 20°مئوية، وأظهر ظاهرة الانزياح نحو الأحمر بشكل ملحوظ. تأثرت المصابيح الزرقاء والخضراء بشكل أقل compared to المصباح الأحمر، لكن قيمها القصوى انخفضت أيضًا بنسبة 20% و22% على التوالي.
لنمذجة توزيع القدرة الطيفية SPD لكل صمام رياضيًا، يُستخدم نموذج غاوسي للصمامات أحادية اللون، مع معلمات يتطلب تحديدها: القيمة القصوى، والطول الموجي القياسي، وعرض النطاق الكامل عند نصف القيمة القصوى FWHM. تحتوي الصمامات البيضاء عادةً على قمتين، لذا يُستخدم نموذج غاوسي مزدوج لوصفها.
بعد إنشاء النموذج، يمكن تمثيل توزيع القدرة الطيفية SPD لمصادر إضاءة LED بثلاث معلمات: القيمة القصوى، والطول الموجي القياسي، وعرض النطاق الكامل عند نصف القيمة القصوى FWHM. من خلال تركيب هذه المعلمات خطيًا عند درجات حرارة مختلفة، يتم الحصول على العلاقة بين توزيع القدرة الطيفية SPD ودرجة الحرارة.
يظهر التحقق من صحة النموذج أن النتائج المحسوبة باستخدام النموذج تتطابق بشكل وثيق مع توزيعات القدرة الطيفية الفعلية، حيث تكون R² أكبر من 0.98.
3. النتائج والمناقشة
3.1 تأثير درجة الحرارة على نتائج مزج الضوء
الهدف من تعويض درجة حرارة LED هو الحفاظ على خرج الضوء ثابتًا قدر الإمكان ضمن نطاق درجة الحرارة المستهدف. أولاً، يتم الحصول على نتائج مزج الألوان لمصدر الضوء RGBW LED عند 20 درجة مئوية كحالة أولية.
مع ارتفاع درجة الحرارة، يمكن أن يؤدي استخدام وقت تشغيل LED مباشرة لمزج الألوان دون تعويض درجة الحرارة إلى تباينات كبيرة. المشكلة الرئيسية الناتجة عن زيادة درجة الحرارة هي زيادة درجة حرارة اللون للمصدر، ويظهر أداء Rg و Rf انخفاضًا طفيفًا في معظم درجات حرارة اللون.
نتائج مزج مصابيح RGBW عند 20 درجة مئوية
| CCT (K) | Rf | Rg | Red | أخضر | أزرق | أبيض |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2000 | 34.36 | 170.06 | 0.3809 | 0.0129 | 0 | 0.6061 |
| 3000 | 74.55 | 107.11 | 0.1458 | 0.0745 | 0 | 0.7796 |
| 4000 | 87.05 | 105.67 | 0.0907 | 0.1412 | 0.0358 | 0.7320 |
| 5000 | 91.96 | 105.14 | 0.0476 | 0.1466 | 0.0839 | 0.7218 |
| 6000 | 92.59 | 102.26 | 0.0512 | 0.2541 | 0.0834 | 0.6112 |
| 7000 | 90.49 | 100.00 | 0.0787 | 0.3309 | 0.0975 | 0.4927 |
عند مقارنة 55 درجة مئوية بـ 20 درجة مئوية، كان الانحراف الأقصى لـ CCT = 2000K، وقيمة الانحراف 333K، والانحراف الأقصى لـ Rf = 15.95، والانحراف الأقصى لـ Rg = 34.5. عند مقارنة 85 درجة مئوية بـ 20 درجة مئوية، كان الانحراف الأقصى لـ CCT = 6500K، والانحراف الأقصى لـ Rf = 31.94، والانحراف الأقصى لـ Rg = 53.7.
3.2 تعويض درجة حرارة مصدر الضوء LED
تنقسم عملية التعويض بشكل رئيسي إلى خطوتين: تعويض طاقة اللون وتعويض الإضاءة. أولاً، للحفاظ على اتساق لون الضوء الناتج بأكبر قدر ممكن، يجب أن تكون نتيجة التعويض الحراري أقرب ما يمكن إلى الحالة الأولية لنتائج مزج الألوان.
يتم استخدام خوارزمية NSGA-II لتحسين متعدد الأهداف. الهدف هو تحسين الانحراف ومعاملات Rf و Rg بين درجة حرارة اللون المختلط ودرجة حرارة اللون المستهدفة، من خلال التحكم في كل مصباح LED ملون عن طريق تغيير دورة عمل PWM.
تم ضبط معلمات الخوارزمية كالتالي: حجم المجتمع الأولي M=30، نهاية الأجيال التطورية G=300، احتمالية التقاطع Pc=0.8، احتمالية التحور Pm=0.1.
تم تحديد أولوية الهدف الأمثل على النحو التالي: تعويض انحراف CCT أولاً، يليه تعويض Rf وأخيراً تعويض Rg. في إطار هذا الهدف، عادة ما يكون انحراف درجة حرارة اللون للمصدر عن درجة حرارة اللون المستهدفة ضمن 10K.
يمكن أن يكون Rf قريباً جداً من الأداء، حيث تكون قيم الانحراف جميعها أقل من 3. عند 55°C، يكون انحراف Rf في المدى 2000K-7000K أقل من 4%، وانحراف Rf في المدى 3000K-7000K أقل من 2.15%. عند 85°C، يكون انحراف Rf أقل من 6% في مدى 2000K-7000K وأقل من 2.21% في مدى 3000K-7000K.
يتمتع Rg بأولوية تعويض أقل وينحرف انحرافًا طفيفًا مقارنة بـ CCT و Rf، لكن قيم الانحراف عادةً ما تكون أقل من 5. انحراف Rg أقل من 4% عند 55°م وأقل من 4.46% عند 85°م.
بعد اكتمال التعويض اللوني، يتم إجراء تعويض شدة الإضاءة لجعل شدة الضوء للمصدر متسقة مع ما كانت عليه قبل التعويض اللوني.
4. الخاتمة
يمثل الإضاءة المختلطة متعددة الألوان للثنائيات الباعثة للضوء اتجاهاً مستقبلياً في صناعة الإضاءة. بناءً على اعتبارات تأثير الإضاءة وصعوبة التحكم والتكلفة، فإن حلول الإضاءة المختلطة الأكثر شيوعاً في السوق هي ذات درجة حرارة لون مزدوجة بالإضافة إلى RGBW.
بسبب خصائص الثنائي الباعث للضوء نفسه، فإن توزيع القدرة الطيفية للثنائيات الباعثة للضوء بألوان مختلفة ينتج درجات متفاوتة من التغير عند ارتفاع درجة الحرارة. يقوم هذا البحث بنمذجة العلاقة بين توزيع القدرة الطيفية لثنائي الباعث للضوء ودرجة الحرارة، ويستخدم خوارزمية NSGA-II لتعويض الحرارة الطيفية لثنائيات RGBW الباعثة للضوء بناءً على نظرية التراكب الطيفي، بهدف جعل تأثير إخراج الضوء للثنائيات الباعثة للضوء متسقاً عند درجات الحرارة المختلفة.
أولوية التعويض لكل معلمة إخراج ضوئي للمصدر هي درجة حرارة اللون أولاً، ثم Rf، وأخيراً Rg. تظهر النتائج أنه في المجموعة المختارة من المصادر، يكون انحراف CCT أقل من 10K؛ قيمة انحراف Rf في نطاق 2000K-7000K أقل من 4%، والنطاق 3000K-7000K أقل من 2.15%؛ قيمة انحراف Rg في نطاق 2000K-7000K أقل من 4.46%.
بالنسبة لسيناريوهات التطبيق المختلفة، يمكن التحكم في أولويات تعويض مختلفة لتحقيق تأثير الإضاءة المطلوب.
المراجع
قائمة المراجع الكاملة متاحة في مستند PDF. تشمل المراجع الرئيسية أعمالاً حول تأثيرات درجة حرارة LED ومقاييس تجسيد الألوان وخلط LED متعدد الألوان وتطبيقات الخوارزمية الجينية في مشكلات التحسين.
ملاحظة: ما سبق هو ملخص لمحتوى ورقة البحث. تحتوي الوثيقة الكاملة على بيانات تجريبية واسعة النطاق، ونماذج رياضية، ورسوم بيانية، وتحليلات مفصلة. نوصي بتنزيل ملف PDF الكامل للقراءة المتعمقة.