Resumen
Este artículo propone un método de compensación de temperatura para mezcla de LED RGBW basado en el algoritmo genético de clasificación no dominada rápida (NSGA-II). El método propuesto puede lograr la compensación de los cambios inducidos por la temperatura en la temperatura de color correlacionada (CCT) del LED, la fidelidad del color (Rf) y el índice de gama de color (Rg) mediante la predicción de la distribución de potencia espectral (SPD) a diferentes temperaturas.
Resultados Clave: 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%.
Métricas Clave de Rendimiento
Research Highlights
Compensación de Temperatura Basada en NSGA-II
El método utiliza el algoritmo genético de ordenamiento no dominado rápido (NSGA-II) para compensar los cambios inducidos por la temperatura en los parámetros de color del LED, logrando una alta consistencia en la salida a través de las variaciones de temperatura.
Modelado Espectral Integral
Establece el modelo SPD-temperatura de fuentes de luz LED RGBW mediante la medición de distribución espectral de potencia a diferentes temperaturas, con valores R² superiores a 0.98 para todos los modelos ajustados.
Optimización Multiobjetivo
Optimiza simultáneamente la desviación de CCT, la fidelidad del color (Rf) y el índice de gama (Rg), dando prioridad a la compensación de CCT, seguida de Rf y Rg.
Compensación Efectiva en Todo el Rango de Temperatura
El método mantiene un rendimiento consistente en un amplio rango de temperaturas (20°C a 90°C) y rango de CCT (2000K a 7000K), reduciendo significativamente las desviaciones causadas por cambios de temperatura.
Implementación Práctica
Utiliza control de ciclo de trabajo PWM para implementación práctica, con el proceso de compensación dividido en etapas de compensación de potencia de color y compensación de luminancia.
LED rojo más sensible a la temperatura
Los hallazgos de investigación muestran que el LED rojo es el más afectado por la temperatura, con un valor pico a 90°C que disminuye en más del 60% en comparación con 20°C, mientras que los LED azules y verdes muestran reducciones del 20% y 22% respectivamente.
Resumen de Contenido
Contenido del Documento
1. Introducción
A medida que avanza la tecnología de iluminación, las personas ya no se conforman con utilizar LED monocromáticos para la iluminación. Más personas ahora tienden a utilizar fuentes de luz LED ajustables. Diferentes opciones de iluminación pueden crear entornos de trabajo y vida más cómodos. Una iluminación adecuada puede aumentar la productividad de las personas y propiciar un mejor descanso.
En comparación con las fuentes de luz tradicionales, las fuentes de luz LED presentan ventajas como menor tamaño, menor consumo energético y mayor vida útil. Sin embargo, la temperatura es un factor crítico que afecta la calidad de las fuentes de luz. El calentamiento interno y las condiciones externas extremas pueden provocar cambios en la temperatura de operación de los LED, resultando en desviaciones de parámetros y afectando la estabilidad y rendimiento de las fuentes de luz.
El advenimiento de fuentes de luz LED con temperatura de color correlacionada (CCT) ajustable ofrece una solución potencial al problema de la reducción de la calidad de la salida de luz debido a efectos de temperatura. Actualmente, la investigación sobre fuentes de luz LED con CCT ajustable generalmente se divide en tres métodos:
- Utilizando dos LEDs blancos con diferente CCT
- Utilizando múltiples LEDs monocromáticos
- Utilización de una combinación de LED monocromáticos y LED blancos
Este artículo se centra en explorar el rendimiento lumínico óptimo de los LED RGBW con el objetivo de reducir o incluso eliminar las variaciones en la iluminación LED causadas por el calentamiento de los propios LED o por influencias de temperatura externas.
2. Descripción Experimental
2.1 Principio de Mezcla de Luz Multicolor y Evaluación de Fuentes Luminosas
El color de la fuente luminosa y su capacidad para reproducir fielmente los colores de los objetos iluminados dependen de la distribución espectral de potencia de la fuente luminosa. La distribución espectral de potencia de una combinación de fuentes luminosas multicolor es la suma lineal de sus distribuciones espectrales de potencia individuales:
SRGBW = Kr * Sr + Kg * Sg + Kb * Sb + Kw * Sw
La luz LED blanca comúnmente se describe en términos de temperatura de color. La temperatura de color se define como la temperatura a la cual un cuerpo negro emite luz que coincide con el color de la fuente de luz.
La capacidad de una fuente de luz para reproducir con precisión los colores de los objetos iluminados comúnmente se evalúa utilizando la métrica estandarizada denominada Índice de Renderizado de Color (CRI) de la CIE (Comisión Internacional de Iluminación). Sin embargo, a medida que avanza la investigación sobre fuentes de luz, se ha encontrado que el CRI tiene algunas limitaciones para evaluar ciertos colores. Por lo tanto, esta investigación utiliza el Índice de Fidelidad de Color (Rf) y el Índice de Gama (Rg) de la Illuminating Engineering Society (IES) como criterios de evaluación para el rendimiento de iluminación de las fuentes de luz.
El Índice de Fidelidad Cromática y el Índice de Gama utilizan 99 muestras de color, lo que es más exhaustivo que el CRI estándar, que normalmente emplea 15 muestras de color, permitiendo una evaluación más completa del rendimiento cromático de una fuente luminosa.
El cálculo de Rf se basa en la distancia euclidiana en el espacio de color J'a'b' como fórmula de diferencia cromática estándar en CAM02-UCS:
ΔElab,i = √((ft,i - fr,i)2 + (at,i - ar,i)2 + (bt,i - br,i)2)
Rg es una medida de croma que es la relación entre el área del polígono formado por la coordenada promedio en cada cuadro de ángulo de tono y el área del polígono formado por el iluminante de referencia:
Rg = 100 * At / Ar
Para ofrecer una evaluación más intuitiva de los resultados de luz mixta, se utiliza un sistema de puntuación para cuantificar los resultados:
S = 100 - cct/10 - 2 * (100 - Rf) - |100 - Rg|
2.2 Establecimiento del Modelo de Temperatura de Distribución Espectral de Potencia LED
Debido a las características inherentes de los LEDs, su distribución espectral de potencia (SPD) se desplaza con la temperatura. En general, para los LEDs RGB, las longitudes de onda pico experimentan un corrimiento al rojo y los valores pico disminuyen a medida que aumenta la temperatura.
La investigación midió la distribución espectral de potencia de los LEDs R, G, B y W en intervalos de 10°C desde 20°C hasta 90°C. El LED rojo es el más afectado por la temperatura, con su valor pico a 90°C disminuyendo más del 60% en comparación con el valor pico a 20°C, y mostrando un notable fenómeno de corrimiento al rojo. Los LEDs azul y verde se ven menos afectados en comparación con el rojo, pero sus valores pico también experimentan reducciones del 20% y 22%, respectivamente.
Para modelar matemáticamente la SPD de cada LED, se utiliza un modelo gaussiano para LED monocromáticos, con parámetros por determinar: valor pico, longitud de onda pico y ancho completo a la mitad del máximo (FWHM). Los LED blancos generalmente tienen dos picos, por lo que se emplea un modelo gaussiano doble para describirlos.
Tras establecer el modelo, la SPD de las fuentes de luz LED puede representarse mediante tres parámetros: valor pico, longitud de onda pico y ancho completo a la mitad del máximo (FWHM). Mediante ajuste lineal de estos parámetros a diferentes temperaturas, se obtiene la relación entre la SPD y la temperatura.
La validación del modelo demuestra que los resultados calculados utilizando el modelo coinciden estrechamente con las distribuciones espectrales de potencia reales, con un R² superior a 0,98.
3. Resultados y Discusión
3.1 Efecto de la Temperatura en los Resultados de Mezcla de Luz
El objetivo de la compensación térmica de LED es mantener la salida de luz lo más constante posible dentro del rango de temperatura objetivo. Primero, se obtienen los resultados de mezcla de luz de la fuente luminosa RGBW LED a 20°C como estado inicial.
A medida que aumenta la temperatura, utilizar directamente el tiempo de encendido del LED para la mezcla de luz sin compensación térmica puede generar grandes variaciones. El principal problema causado por el aumento de temperatura es el incremento de la temperatura de color de la fuente luminosa, y el rendimiento de Rg y Rf es ligeramente inferior en la mayoría de temperaturas de color.
Resultados de Mezcla de LED RGBW a 20°C
| CCT (K) | Rf | Rg | Red | Verde | Azul | Blanco |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
A 55°C en comparación con 20°C, la desviación máxima de la CCT = 2000K, el valor de desviación es 333K, la desviación máxima de Rf = 15.95, la desviación máxima de Rg = 34.5. A 85°C en comparación con 20°C, la desviación máxima de CCT = 6500K, la desviación máxima de Rf = 31.94 y la desviación máxima de Rg = 53.7.
3.2 Compensación de Temperatura de la Fuente de Luz LED
El proceso de compensación se divide principalmente en dos pasos: compensación de potencia de color y compensación de luminancia. Primero, para mantener la consistencia del color de la salida de luz tanto como sea posible, el resultado de la compensación de temperatura debe ser lo más cercano posible al estado inicial de los resultados de la mezcla de luz.
Non-dominated Sorted Genetic Algorithm (NSGA-II) se utiliza para la optimización multiobjetivo. El objetivo es optimizar la desviación, Rf y Rg entre la temperatura de color mixta y la temperatura de color objetivo mediante el control de cada LED de color variando el ciclo de trabajo PWM.
Los parámetros del algoritmo se establecen como: tamaño de población inicial M=30, fin de generaciones evolutivas G=300, probabilidad de cruce Pc=0.8, probabilidad de mutación Pm=0.1.
La prioridad del objetivo de optimización se establece como: compensación de desviación de CCT primero, seguida de compensación de Rf y finalmente compensación de Rg. Bajo este objetivo, la desviación de la temperatura de color de la fuente de luz respecto a la temperatura de color objetivo suele estar dentro de 10K.
Rf también puede aproximarse mucho al rendimiento, con valores de desviación todos inferiores a 3. A 55°C, la desviación del Rf en el intervalo de 2000K-7000K es inferior al 4%, y la desviación del Rf en el intervalo de 3000K-7000K es inferior al 2.15%. A 85°C, la desviación de Rf es inferior al 6% en el intervalo de 2000K-7000K e inferior al 2.21% en el intervalo de 3000K-7000K.
Rg tiene una prioridad de compensación más baja y presenta una desviación ligeramente mayor que CCT y Rf, pero los valores de desviación generalmente también son inferiores a 5. La desviación de Rg es inferior al 4% a 55°C e inferior al 4,46% a 85°C.
Una vez completada la compensación de color, se realiza la compensación de luminancia para que la intensidad luminosa de la fuente de luz coincida con la existente antes de la compensación de color.
4. Conclusión
La iluminación mixta con LED multicolor representa una tendencia futura en la industria de la iluminación. Basándose en consideraciones de efecto lumínico, dificultad de control y coste, las soluciones de iluminación mixta con LED multicolor más comunes en el mercado son las de dos temperaturas de color así como RGBW.
Debido a las características propias del LED, la distribución espectral de potencia de LED de diferentes colores experimentará distintos grados de cambio cuando aumenta la temperatura. Esta investigación modela la relación distribución espectral de potencia del LED-temperatura, y utiliza el algoritmo NSGA-II para compensar la temperatura espectral de LED RGBW basándose en el teorema de superposición espectral, con el objetivo de lograr que el efecto de salida de luz de los LED sea consistente a diferentes temperaturas.
La prioridad de compensación para cada parámetro de salida de luz de la fuente luminosa es: temperatura de color primero, Rf en segundo lugar y Rg al final. Los resultados muestran que en el grupo seleccionado de fuentes luminosas, la desviación de CCT es menor a 10K; el valor de desviación de Rf en el rango de 2000K-7000K es menor al 4%, en el rango de 3000K-7000K es menor al 2.15%; el valor de desviación de Rg en el rango de 2000K-7000K es menor al 4.46%.
Para diferentes escenarios de aplicación, se pueden controlar distintas prioridades de compensación para lograr el efecto de iluminación deseado.
Referencias
La lista completa de referencias está disponible en el documento PDF. Las referencias clave incluyen trabajos sobre efectos térmicos en LED, métricas de reproducción cromática, mezcla de LED multicolor y aplicaciones de algoritmos genéticos en problemas de optimización.
Nota: Lo anterior es un resumen del contenido del artículo de investigación. El documento completo contiene extensos datos experimentales, modelos matemáticos, visualizaciones y análisis detallados. Recomendamos descargar el PDF completo para una lectura en profundidad.