Résumé
Cet article propose une méthode de compensation thermique pour le mélange de LED RGBW basée sur l'algorithme génétique de tri non dominé rapide (NSGA-II). La méthode proposée permet de compenser les variations induites par la température sur la température de couleur corrélée (CCT), la fidélité chromatique (Rf) et l'indice de gamme de couleurs (Rg) des LED en prédisant la distribution spectrale de puissance (SPD) à différentes températures.
Résultats Clés 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%.
Métriques de Performance Clés
Points saillants de la recherche
Compensation de température basée sur NSGA-II
La méthode utilise l'algorithme génétique à tri non dominé rapide (NSGA-II) pour compenser les variations des paramètres de couleur des LED induites par la température, garantissant une grande cohérence de sortie malgré les fluctuations thermiques.
Modélisation Spectrale Complète
Établit un modèle SPD-température pour les sources lumineuses LED RVGB en mesurant la distribution spectrale de puissance à différentes températures, avec des valeurs R² supérieures à 0,98 pour tous les modèles ajustés.
Optimisation Multi-Objectifs
Optimise simultanément l'écart de CCT, la fidélité chromatique (Rf) et l'indice de gamme (Rg) en donnant la priorité à la compensation CCT, suivie de Rf et Rg.
Compensation Efficace sur toute la Plage de Température
La méthode maintient des performances constantes sur une large plage de températures (20°C à 90°C) et de CCT (2000K à 7000K), réduisant significativement les écarts causés par les variations thermiques.
Mise en œuvre pratique
Utilise le contrôle du cycle de service PWM pour la mise en œuvre pratique, avec un processus de compensation divisé en étapes de compensation de puissance colorimétrique et de compensation de luminance.
La LED rouge est la plus sensible à la température
Les résultats de recherche montrent que la LED rouge est la plus affectée par la température, avec une valeur crête à 90°C diminuant de plus de 60% par rapport à 20°C, tandis que les LED bleues et vertes présentent des réductions de 20% et 22% respectivement.
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Sommaire du document
1. Introduction
Avec les progrès de la technologie de l'éclairage, les gens ne se contentent plus d'utiliser des LED monochromes pour s'éclairer. De plus en plus de personnes sont désormais enclines à utiliser des sources lumineuses LED réglables. Différentes options d'éclairage peuvent créer des environnements de travail et de vie plus confortables. Un éclairage approprié peut augmenter la productivité des gens et mener à un meilleur repos.
Comparées aux sources lumineuses traditionnelles, les LED présentent des avantages tels qu'une taille plus réduite, une consommation d'énergie plus faible et une durée de vie plus longue. Cependant, la température est un facteur critique qui affecte la qualité des sources lumineuses. L'échauffement interne et les conditions externes extrêmes peuvent provoquer des changements dans la température de fonctionnement des LED, entraînant des écarts de paramètres et affectant la stabilité et les performances des sources lumineuses.
L'avènement des sources lumineuses LED à température de couleur corrélée (CCT) ajustable offre une solution potentielle au problème de dégradation de la qualité du flux lumineux dû aux effets thermiques. Actuellement, la recherche sur les sources LED à CCT ajustable se divise généralement en trois méthodes :
- Utilisation de deux LED blanches avec des CCT différentes
- Utilisation de plusieurs LED monochromatiques
- Utilisation d'une combinaison de LED monochromes et de LED blanches
Cet article se concentre sur l'exploration des performances d'éclairage optimales des LED RGBW, dans le but de réduire ou même d'éliminer les variations de l'éclairage LED causées par le chauffage des LED elles-mêmes ou par des influences de température externes.
Description expérimentale
2.1 Principe du mélange de lumière multicolore et évaluation de la source lumineuse
La couleur d'une source lumineuse et sa capacité à restituer avec précision les couleurs des objets éclairés dépendent de la distribution spectrale de puissance de la source lumineuse. La distribution spectrale de puissance d'une combinaison de sources lumineuses multi-couleurs est la somme linéaire de leurs distributions spectrales de puissance individuelles :
SRGBW = Kr * Sr + Kg * Sg + Kb * Sb + Kw * Sw
La lumière LED blanche est généralement décrite en termes de température de couleur. La température de couleur est définie comme la température à laquelle un corps noir émet une lumière correspondant à la couleur de la source lumineuse.
La capacité d'une source lumineuse à restituer fidèlement les couleurs des objets éclairés est généralement évaluée à l'aide de la métrique standardisée appelée Indice de Rendu des Couleurs (CRI) de la CIE (Commission Internationale de l'Éclairage). Cependant, avec les progrès de la recherche sur les sources lumineuses, il a été constaté que le CRI présente certaines limites pour évaluer certaines couleurs. Par conséquent, cette recherche utilise l'Indice de Fidélité des Couleurs (Rf) et l'Indice de Gamut (Rg) de l'Illuminating Engineering Society (IES) comme critères d'évaluation de la performance d'éclairage des sources lumineuses.
L'indice de fidélité des couleurs et l'indice de gamut utilisent 99 échantillons de couleur, ce qui est plus complet que le CRI standard qui utilise généralement 15 échantillons de couleur, permettant une évaluation plus approfondie des performances chromatiques d'une source lumineuse.
Le calcul de Rf est basé sur la distance euclidienne dans l'espace colorimétrique J'a'b' comme formule de différence colorimétrique standard dans CAM02-UCS :
ΔElab,i = √((ft,i - fr,i)2 + (at,i - ar,i)2 + (bt,i - br,i)2)
Rg est une mesure de chroma qui correspond au rapport entre l'aire du polygone formé par la coordonnée moyenne dans chaque secteur angulaire de teinte et l'aire du polygone formé par l'illuminant de référence :
Rg = 100 * At / Ar
Pour une évaluation plus intuitive des résultats de mélange lumineux, un système de notation est utilisé pour quantifier les résultats :
S = 100 - cct/10 - 2 * (100 - Rf) - |100 - Rg|
2.2 Établissement du Modèle de Température de Distribution de Puissance Spectrale des LED
En raison des caractéristiques intrinsèques des LED, leur distribution spectrale de puissance (SPD) varie avec la température. En général, pour les LED RVB, les longueurs d'onde de crête subissent un décalage vers le rouge et les valeurs maximales diminuent avec l'augmentation de la température.
L'étude a mesuré la distribution spectrale de puissance des LED R, V, B et W par intervalles de 10°C entre 20°C et 90°C. La LED rouge est la plus affectée par la température, sa valeur maximale à 90°C diminuant de plus de 60% par rapport à celle à 20°C, avec un phénomène de décalage vers le rouge notable. Les LED bleues et vertes sont moins affectées que la LED rouge, mais leurs valeurs maximales subissent également des réductions respectives de 20% et 22%.
Pour modéliser mathématiquement la DSP de chaque LED, un modèle gaussien est utilisé pour les LED monochromes, avec des paramètres à déterminer : valeur maximale, longueur d'onde de pic et largeur à mi-hauteur (FWHM). Les LED blanches présentent généralement deux pics, donc un modèle double gaussien est utilisé pour les décrire.
Après l'établissement du modèle, la DSP des sources lumineuses LED peut être représentée par trois paramètres : valeur maximale, longueur d'onde de pic et largeur à mi-hauteur (FWHM). En ajustant linéairement ces paramètres à différentes températures, la relation entre la DSP et la température est obtenue.
La validation du modèle montre que les résultats calculés à l'aide du modèle correspondent étroitement aux distributions spectrales de puissance réelles, avec un R² supérieur à 0,98.
3. Résultats et discussion
3.1 Effet de la température sur les résultats de mélange lumineux
L'objectif de la compensation thermique des LED est de maintenir la sortie lumineuse aussi constante que possible dans la plage de température cible. Premièrement, les résultats du mélange lumineux de la source LED RVBN à 20°C sont obtenus comme état initial.
Lorsque la température augmente, l'utilisation directe du temps d'allumage des LED pour le mélange lumineux sans compensation thermique peut entraîner des variations importantes. Le principal problème causé par l'augmentation de la température est l'augmentation de la température de couleur de la source lumineuse, et les performances Rg et Rf sont légèrement inférieures à la plupart des températures de couleur.
Résultats de mélange LED RGBW à 20°C
| CCT (K) | Rf | Rg | Red | Vert | Bleu | Blanc |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
À 55°C par rapport à 20°C, l'écart maximal de la CCT = 2000K, la valeur de déviation est de 333K, l'écart maximal de Rf = 15,95, l'écart maximal de Rg = 34,5. À 85°C par rapport à 20°C, l'écart maximal de CCT = 6500K, l'écart maximal de Rf = 31,94 et l'écart maximal de Rg = 53,7.
3.2 Compensation thermique de la source lumineuse LED
Le processus de compensation se divise principalement en deux étapes : la compensation de puissance colorimétrique et la compensation de luminance. Premièrement, pour maintenir autant que possible la cohérence de la couleur de la lumière émise, le résultat de la compensation thermique doit se rapprocher au maximum de l'état initial des résultats du mélange de couleurs.
L'algorithme génétique à tri non dominé (NSGA-II) est utilisé pour l'optimisation multi-objectif. L'objectif est d'optimiser l'écart, Rf et Rg entre la température de couleur mixte et la température de couleur cible en contrôlant chaque LED colorée en faisant varier le cycle de service PWM.
Les paramètres de l'algorithme sont définis comme suit : taille initiale de la population M=30, fin des générations évolutives G=300, probabilité de croisement Pc=0.8, probabilité de mutation Pm=0.1.
La priorité de l'objectif d'optimisation est définie comme suit : compensation de la déviation CCT en premier, suivie de la compensation Rf et enfin de la compensation Rg. Dans ce cadre, l'écart de la température de couleur de la source lumineuse par rapport à la température de couleur cible est généralement inférieur à 10K.
Rf peut également être très proche de la performance, avec des valeurs d'écart toutes inférieures à 3. À 55°C, la déviation du Rf dans l'intervalle 2000K-7000K est inférieure à 4%, et la déviation du Rf dans l'intervalle 3000K-7000K est inférieure à 2.15%. À 85°C, la déviation Rf est inférieure à 6% dans l'intervalle 2000K-7000K et inférieure à 2.21% dans l'intervalle 3000K-7000K.
Rg présente une priorité de compensation inférieure et un écart légèrement plus élevé que CCT et Rf, mais les valeurs de déviation restent généralement inférieures à 5. La déviation de Rg est inférieure à 4% à 55°C et inférieure à 4,46% à 85°C.
Une fois la compensation chromatique terminée, la compensation de luminance est effectuée pour aligner l'intensité lumineuse de la source avec celle existant avant la compensation chromatique.
4. Conclusion
L'éclairage mixte à LED multicolore représente une tendance future dans l'industrie de l'éclairage. Sur la base des considérations d'effet d'éclairage, de difficulté de contrôle et de coût, les solutions d'éclairage mixte à LED multicolore les plus courantes sur le marché sont la double température de couleur ainsi que RGBW.
En raison des caractéristiques propres de la LED, la distribution spectrale de puissance des LED de différentes couleurs subit des modifications à divers degrés lorsque la température augmente. Cette recherche modélise la relation entre la distribution spectrale de puissance des LED et la température, et utilise l'algorithme NSGA-II pour compenser la température spectrale des LED RGBW sur la base du théorème de superposition spectrale, dans le but de rendre l'effet de luminescence des LED cohérent à différentes températures.
La priorité de compensation pour chaque paramètre de sortie lumineuse de la source est d'abord la température de couleur, puis Rf, et enfin Rg. Les résultats montrent que dans le groupe sélectionné de sources lumineuses, l'écart de CCT est inférieur à 10 K ; la valeur d'écart de Rf dans la plage de 2000 K à 7000 K est inférieure à 4 %, et dans la plage de 3000 K à 7000 K, elle est inférieure à 2,15 % ; la valeur d'écart de Rg dans la plage de 2000 K à 7000 K est inférieure à 4,46 %.
Pour différents scénarios d'application, différentes priorités de compensation peuvent être contrôlées pour obtenir l'effet d'éclairage souhaité.
References
La liste complète des références est disponible dans le document PDF. Les références clés incluent des travaux sur les effets de la température des LED, les métriques de rendu des couleurs, le mélange de LED multicolores et les applications des algorithmes génétiques dans les problèmes d'optimisation.
Note : Ce qui précède est un résumé du contenu de l'article de recherche. Le document complet contient des données expérimentales approfondies, des modèles mathématiques, des visualisations et une analyse détaillée. Nous recommandons de télécharger le PDF intégral pour une lecture approfondie.