Zusammenfassung
Dieser Beitrag stellt ein Temperaturkompensationsverfahren für RGBW-LED-Mischung basierend auf dem schnellen nicht-dominierte Sortierung genetischen Algorithmus (NSGA-II) vor. Das vorgeschlagene Verfahren kann die Kompensation von temperaturabhängigen Veränderungen der LED-Farbtemperatur (CCT), Farbwiedergabe (Rf) und Farbraumindex (Rg) durch Vorhersage der spektralen Leistungsverteilung (SPD) bei verschiedenen Temperaturen erreichen.
Wichtige Ergebnisse: 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%.
Wichtige Leistungskennzahlen
Forschungshighlights
NSGA-II-basierte Temperaturkompensation
Die Methode verwendet den schnellen nicht-dominierenden Sortieralgorithmus (NSGA-II) zur Kompensation temperaturbedingter Veränderungen von LED-Farbparametern und erreicht dabei hohe Konsistenz der Ausgabe über Temperaturschwankungen hinweg.
Umfassende Spektrale Modellierung
Etabliert ein SPD-Temperatur-Modell für RGBW-LED-Lichtquellen durch Messung der spektralen Leistungsverteilung bei verschiedenen Temperaturen, mit R²-Werten über 0,98 für alle angepassten Modelle.
Multi-Objective Optimization
Gleichzeitige Optimierung von CCT-Abweichung, Farbwiedergabetreue (Rf) und Gamut-Index (Rg) mit Priorität auf CCT-Kompensation, gefolgt von Rf und Rg.
Effektive Kompensation über den gesamten Temperaturbereich
Die Methode gewährleistet eine konsistente Leistung über einen weiten Temperaturbereich (20°C bis 90°C) und CCT-Bereich (2000K bis 7000K) und reduziert signifikant Abweichungen, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden.
Praktische Umsetzung
Verwendet PWM-Tastverhältnissteuerung für die praktische Umsetzung, wobei der Kompensationsprozess in Farbleistungskompensation und Leuchtdichtekompensation unterteilt ist.
Rote LED am temperaturempfindlichsten
Forschungsergebnisse zeigen, dass rote LEDs am stärksten von Temperatur beeinflusst werden, wobei der Spitzenwert bei 90°C um über 60% im Vergleich zu 20°C abnimmt, während blaue und grüne LEDs Reduktionen von 20% bzw. 22% aufweisen.
Inhaltsübersicht
Dokumenteninhalt
1. Einführung
Mit dem Fortschritt der Beleuchtungstechnologie sind die Menschen nicht mehr damit zufrieden, Einfarb-LEDs zur Beleuchtung zu verwenden. Immer mehr Menschen neigen dazu, einstellbare LED-Lichtquellen einzusetzen. Unterschiedliche Beleuchtungsoptionen können angenehmere Arbeits- und Lebensumgebungen schaffen. Eine geeignete Beleuchtung kann die Produktivität der Menschen steigern und zu besserer Erholung führen.
Im Vergleich zu traditionellen Lichtquellen haben LED-Lichtquellen Vorteile wie geringere Größe, niedrigerer Energieverbrauch und längere Lebensdauer. Allerdings ist die Temperatur ein kritischer Faktor, der die Qualität der Lichtquellen beeinflusst. Interne Erwärmung und extreme externe Bedingungen können Veränderungen der Betriebstemperatur von LEDs verursachen, was zu Parameterabweichungen führt und die Stabilität und Leistung der Lichtquellen beeinträchtigt.
Das Aufkommen von LED-Lichtquellen mit einstellbarer Farbtemperatur (CCT) bietet eine potenzielle Lösung für das Problem der verminderten Lichtqualität aufgrund von Temperatureffekten. Die derzeitige Forschung zu LED-Lichtquellen mit einstellbarer CCT lässt sich allgemein in drei Methoden unterteilen:
- Verwendung von zwei weißen LEDs mit unterschiedlicher CCT
- Verwendung mehrerer monochromatischer LEDs
- Kombination aus einfarbigen LEDs und weißen LEDs
Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Erforschung der optimalen Lichtleistung von RGBW-LEDs mit dem Ziel, die durch Eigenerwärmung der LEDs oder durch externe Temperatureinflüsse verursachten Schwankungen der LED-Beleuchtung zu reduzieren oder sogar zu beseitigen.
2. Versuchsbeschreibung
2.1 Prinzip der Mehrfarben-Lichtmischung und Lichtquellenbewertung
Die Farbe einer Lichtquelle und ihre Fähigkeit, die Farben beleuchteter Objekte originalgetreu wiederzugeben, hängen von der spektralen Leistungsverteilung der Lichtquelle ab. Die spektrale Leistungsverteilung einer Kombination mehrfarbiger Lichtquellen entspricht der linearen Summe ihrer individuellen spektralen Leistungsverteilungen:
SRGBW = Kr * Sr + Kg * Sg + Kb * Sb + Kw * Sw
Weißes LED-Licht wird üblicherweise anhand der Farbtemperatur beschrieben. Die Farbtemperatur ist definiert als die Temperatur, bei der ein Schwarzer Strahler Licht emittiert, das der Farbe der Lichtquelle entspricht.
Die Fähigkeit einer Lichtquelle, die Farben beleuchteter Objekte originalgetreu wiederzugeben, wird üblicherweise mit der standardisierten Kennzahl CRI (Color Rendering Index) der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) bewertet. Mit dem Fortschritt der Lichtquellenforschung hat sich jedoch gezeigt, dass der CRI bei der Bewertung bestimmter Farben Einschränkungen aufweist. Daher verwendet diese Forschung den Color Fidelity Index (Rf) und den Gamut Index (Rg) der Illuminating Engineering Society (IES) als Bewertungskriterien für die Lichtleistung von Quellen.
Der Color Fidelity Index und Gamut Index verwenden 99 Farbmuster, was umfassender ist als der Standard CRI, der typischerweise 15 Farbmuster verwendet, und ermöglichen so eine gründlichere Bewertung der Farbwiedergabe einer Lichtquelle.
Die Berechnung von Rf basiert auf der euklidischen Distanz im J'a'b'-Farbraum als Standardfarbdifferenzformel in CAM02-UCS:
ΔELabor,i = √((ft,i - fr,i)2 + (at,i - ar,i)2 + (bt,i - br,i)2)
Rg ist ein Maß für die Chroma, das das Verhältnis der Fläche des Polygons, das durch die Durchschnittskoordinate in jeder Farbtonwinkel-Box gebildet wird, zur Fläche des Polygons, das durch die Referenzlichtquelle gebildet wird, darstellt:
Rg = 100 * At / Ar
Um die Ergebnisse der Lichtmischung anschaulicher zu bewerten, wird ein Bewertungssystem zur Quantifizierung der Ergebnisse verwendet:
S = 100 - cct/10 - 2 * (100 - Rf) - |100 - Rg|
2.2 Aufbau eines LED Spectral Power Distribution Temperaturmodells
Aufgrund der inherenten Eigenschaften von LEDs verschiebt sich ihre spektrale Leistungsverteilung (SPD) mit der Temperatur. Im Allgemeinen erfahren die Spitzenwellenlängen von RGB-LEDs eine Rotverschiebung, und die Spitzenwerte nehmen mit steigender Temperatur ab.
Die Forschung testete die spektrale Leistungsverteilung von R-, G-, B- und W-LEDs in 10°C-Intervallen von 20°C bis 90°C. Die rote LED ist am stärksten von der Temperatur betroffen, wobei ihr Spitzenwert bei 90°C um über 60% im Vergleich zum Spitzenwert bei 20°C abnimmt und ein deutliches Rotverschiebungsphänomen zeigt. Blaue und grüne LEDs sind im Vergleich zur roten LED weniger betroffen, aber ihre Spitzenwerte verzeichnen ebenfalls Reduktionen von 20% bzw. 22%.
Zur mathematischen Modellierung der SPD jeder LED wird für einfarbige LEDs ein Gauß-Modell verwendet, mit zu bestimmenden Parametern: Spitzenwert, Peak-Wellenlänge und Halbwertsbreite (FWHM). Weiße LEDs haben typischerweise zwei Peaks, daher wird ein doppeltes Gauß-Modell zu ihrer Beschreibung verwendet.
Nach der Modellerstellung kann die SPD von LED-Lichtquellen durch drei Parameter dargestellt werden: Spitzenwert, Peak-Wellenlänge und Halbwertsbreite (FWHM). Durch lineare Anpassung dieser Parameter bei verschiedenen Temperaturen wird die Beziehung zwischen SPD und Temperatur erhalten.
Die Validierung des Modells zeigt, dass die mit dem Modell berechneten Ergebnisse eng mit den tatsächlichen spektralen Leistungsverteilungen übereinstimmen, wobei R² größer als 0,98 ist.
3. Ergebnisse und Diskussion
3.1 Einfluss der Temperatur auf Lichtmischergebnisse
Das Ziel des LED-Temperaturkompensation besteht darin, die Lichtleistung im Zieltemperaturbereich so konstant wie möglich zu halten. Zunächst werden die Lichtmischergebnisse der RGBW-LED-Lichtquelle bei 20°C als Ausgangszustand ermittelt.
Mit steigender Temperatur kann die direkte Verwendung der LED-Einschaltdauer zur Lichtmischung ohne Temperaturkompensation zu großen Schwankungen führen. Das Hauptproblem bei Temperaturerhöhung ist der Anstieg der Farbtemperatur der Lichtquelle, wobei die Rg- und Rf-Leistung bei den meisten Farbtemperaturen leicht geringer ausfällt.
RGBW-LED-Mischergebnisse bei 20 °C
| CCT (K) | Rf | Rg | Red | Grün | Blau | Weiß |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
Bei 55 °C im Vergleich zu 20 °C beträgt die maximale Abweichung der CCT = 2000 K, der Abweichungswert liegt bei 333 K, die maximale Abweichung von Rf = 15,95, die maximale Abweichung von Rg = 34,5. Bei 85 °C im Vergleich zu 20 °C beträgt die maximale Abweichung der CCT = 6500 K, die maximale Abweichung von Rf = 31,94 und die maximale Abweichung von Rg = 53,7.
3.2 Temperaturkompensation der LED-Lichtquelle
Der Kompensationsprozess unterteilt sich hauptsächlich in zwei Schritte: Farbleistungskompensation und Leuchtdichtekompensation. Zunächst soll das Ergebnis der Temperaturkompensation möglichst nahe am Ausgangszustand der Mischergebnisse liegen, um die Konsistenz der Lichtfarbe bestmöglich zu erhalten.
Non-dominated Sorted Genetic Algorithm (NSGA-II) wird für multikriterielle Optimierung eingesetzt. Das Ziel ist die Optimierung der Abweichung, Rf und Rg zwischen gemischter Farbtemperatur und Ziel-Farbtemperatur durch Steuerung jeder Farb-LED mittels variierendem PWM-Tastverhältnis.
Die Algorithmusparameter sind wie folgt festgelegt: Anfangs-Populationsgröße M=30, Endzahl der Entwicklungsgenerationen G=300, Kreuzungswahrscheinlichkeit Pc=0.8, Mutationswahrscheinlichkeit Pm=0.1.
Die Priorität des Optimierungsziels ist wie folgt festgelegt: Zuerst CCT-Abweichungskompensation, gefolgt von Rf-Kompensation und schließlich Rg-Kompensation. Unter diesem Ziel liegt die Abweichung der Farbtemperatur der Lichtquelle von der Ziel-Farbtemperatur in der Regel innerhalb von 10K.
Rf kann der Leistung ebenfalls sehr nahe kommen, wobei die Abweichungswerte alle unter 3 liegen. Bei 55°C beträgt die Abweichung des Rf im Intervall von 2000K-7000K weniger als 4 %, und die Abweichung des Rf im Intervall von 3000K-7000K weniger als 2,15 %. Bei 85°C liegt die Rf-Abweichung im Intervall 2000K-7000K unter 6 % und im Intervall 3000K-7000K unter 2,21 %.
Rg weist eine niedrigere Kompensationspriorität auf und hat eine etwas höhere Abweichung als CCT und Rf, aber die Abweichungswerte liegen in der Regel ebenfalls unter 5. Die Rg-Abweichung beträgt weniger als 4 % bei 55 °C und weniger als 4,46 % bei 85 °C.
Nach Abschluss der Farbkompensation wird eine Helligkeitskompensation durchgeführt, um die Lichtstärke der Lichtquelle an diejenige vor der Farbkompensation anzugleichen.
4. Fazit
Mehrfarbige LED-Mischbeleuchtung stellt einen zukünftigen Trend in der Beleuchtungsindustrie dar. Unter Berücksichtigung von Lichteffekt, Steuerungsaufwand und Kosten sind die gebräuchlichsten Mehrfarben-LED-Mischbeleuchtungslösungen auf dem Markt Zwei-Farbtemperatur sowie RGBW.
Aufgrund der Eigenschaften der LED selbst erfährt die spektrale Leistungsverteilung von LEDs unterschiedlicher Farben bei Temperaturanstieg unterschiedlich starke Veränderungen. Diese Forschung modelliert die Beziehung zwischen spektraler LED-Leistungsverteilung und Temperatur und nutzt den NSGA-II-Algorithmus zur Kompensation der Spektraltemperatur von RGBW-LEDs basierend auf dem Spektralüberlagerungstheorem, mit dem Ziel, die Lichtausgabewirkung von LEDs bei verschiedenen Temperaturen konsistent zu halten.
Die Kompensationspriorität für jeden Lichtausgabeparameter der Lichtquelle ist zuerst Farbtemperatur, dann Rf und zuletzt Rg. Die Ergebnisse zeigen, dass in der ausgewählten Gruppe von Lichtquellen die CCT-Abweichung weniger als 10 K beträgt; der Rf-Abweichungswert im Bereich von 2000 K bis 7000 K liegt unter 4 %, im Bereich von 3000 K bis 7000 K unter 2,15 %; der Rg-Abweichungswert im Bereich von 2000 K bis 7000 K liegt unter 4,46 %.
Für verschiedene Anwendungsszenarien können unterschiedliche Kompensationsprioritäten gesteuert werden, um den gewünschten Beleuchtungseffekt zu erzielen.
Literaturverzeichnis
Das vollständige Literaturverzeichnis ist im PDF-Dokument verfügbar. Wichtige Referenzen umfassen Arbeiten zu LED-Temperatureffekten, Farbwiedergabemetriken, Multi-Farb-LED-Mischung und Anwendungen genetischer Algorithmen in Optimierungsproblemen.
Hinweis: Dies ist eine Zusammenfassung des Forschungsbeitrags. Das vollständige Dokument enthält umfangreiche experimentelle Daten, mathematische Modelle, Visualisierungen und detaillierte Analysen. Wir empfehlen, das vollständige PDF zum vertieften Studium herunterzuladen.