सारांश
This paper proposes a temperature compensation method for RGBW LED mixing based on fast non-dominated sorting genetic algorithm (NSGA-II). The proposed method can achieve compensation for temperature-induced changes in LED correlated color temperature (CCT), color fidelity (Rf) and color gamut index (Rg) by predicting the spectral power distribution (SPD) at different temperatures.
मुख्य परिणाम: 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 आरजी in the range of 2000K-7000K is less than 4.46%.
मुख्य प्रदर्शन मेट्रिक्स
शोध हाइलाइट्स
NSGA-II आधारित तापमान क्षतिपूर्ति
यह विधि तापमान-प्रेरित एलईडी रंग मापदंडों में परिवर्तन की क्षतिपूर्ति के लिए तीव्र गैर-प्रभावित छंटनी आनुवंशिक एल्गोरिदम (NSGA-II) का उपयोग करती है, जिससे तापमान भिन्नताओं में आउटपुट की उच्च स्थिरता प्राप्त होती है।
व्यापक स्पेक्ट्रल मॉडलिंग
विभिन्न तापमानों पर स्पेक्ट्रल पावर डिस्ट्रीब्यूशन मापकर RGBW LED प्रकाश स्रोत का SPD-तापमान मॉडल स्थापित करता है, सभी फिट किए गए मॉडलों के लिए R² मान 0.98 से अधिक है।
बहु-उद्देश्य अनुकूलन
सीसीटी विचलन, रंग निष्ठा (आरएफ), और गैमट सूचकांक (आरजी) के लिए एक साथ अनुकूलन, जिसमें प्राथमिकता सीसीटी क्षतिपूर्ति को दी जाती है, उसके बाद आरएफ और आरजी को।
तापमान सीमा में प्रभावी क्षतिपूर्ति
यह विधि एक विस्तृत तापमान सीमा (20°C से 90°C) और CCT सीमा (2000K से 7000K) में सुसंगत प्रदर्शन बनाए रखती है, तापमान परिवर्तन के कारण होने वाले विचलन को काफी कम करती है।
Practical Implementation
व्यावहारिक कार्यान्वयन के लिए PWM ड्यूटी साइकिल नियंत्रण का उपयोग करता है, जिसमें मुआवजा प्रक्रिया को रंग शक्ति मुआवजा और चमक मुआवजा चरणों में विभाजित किया गया है।
रेड LED सबसे अधिक तापमान संवेदनशील
शोध निष्कर्ष दर्शाते हैं कि रेड LED तापमान से सबसे अधिक प्रभावित होती है, जिसका 90°C पर शिखर मान 20°C की तुलना में 60% से अधिक कम हो जाता है, जबकि ब्लू और ग्रीन LED क्रमशः 20% और 22% की कमी दर्शाती हैं।
सामग्री अवलोकन
दस्तावेज़ सामग्री
1. परिचय
प्रकाश व्यवस्था प्रौद्योगिकी के विकास के साथ, लोग प्रकाश व्यवस्था के लिए एकल-रंग एलईडी का उपयोग करने से संतुष्ट नहीं हैं। अब अधिक लोग समायोज्य एलईडी प्रकाश स्रोतों का उपयोग करने के इच्छुक हैं। विभिन्न प्रकाश व्यवस्था विकल्प अधिक आरामदायक कार्य और रहने वाले वातावरण बना सकते हैं। उचित प्रकाश व्यवस्था लोगों की उत्पादकता बढ़ा सकती है और बेहतर आराम का कारण बन सकती है।
पारंपरिक प्रकाश स्रोतों की तुलना में, एलईडी प्रकाश स्रोतों के छोटे आकार, कम ऊर्जा खपत और लंबे जीवन जैसे फायदे हैं। हालांकि, तापमान एक महत्वपूर्ण कारक है जो प्रकाश स्रोतों की गुणवत्ता को प्रभावित करता है। आंतरिक ताप और चरम बाहरी स्थितियां एलईडी के कार्यशील तापमान में परिवर्तन का कारण बन सकती हैं, जिसके परिणामस्वरूप पैरामीटर विचलन होता है और प्रकाश स्रोतों की स्थिरता और प्रदर्शन प्रभावित होता है।
समायोज्य सहसंबद्ध रंग तापमान (CCT) एलईडी प्रकाश स्रोतों का आगमन तापमान प्रभावों के कारण प्रकाश उत्पादन गुणवत्ता में कमी की समस्या का एक संभावित समाधान प्रस्तुत करता है। वर्तमान में, समायोज्य CCT वाले एलईडी प्रकाश स्रोतों पर शोध सामान्यतः तीन विधियों में विभाजित है:
- विभिन्न CCT वाले दो श्वेत एलईडी का उपयोग करना
- एकाधिक एकल-रंग एलईडी का उपयोग करना
- सिंगल-कलर एलईडी और व्हाइट एलईडी के संयोजन का उपयोग करना
यह शोधपत्र RGBW एलईडी के इष्टतम प्रकाशन प्रदर्शन की खोज पर केंद्रित है, जिसका लक्ष्य एलईडी के स्वयं के तापन या बाहरी तापमान प्रभावों के कारण होने वाले एलईडी प्रकाशन में परिवर्तनों को कम करना या समाप्त करना है।
2. प्रयोगात्मक विवरण
2.1 मल्टी-कलर लाइट मिक्सिंग प्रिंसिपल और लाइट सोर्स एवेलुएशन
प्रकाश स्रोत का रंग और प्रकाशित वस्तुओं के रंगों को सटीक रूप से पुनरुत्पादित करने की इसकी क्षमता, प्रकाश स्रोत के स्पेक्ट्रल पावर डिस्ट्रीब्यूशन पर निर्भर करती है। बहु-रंग प्रकाश स्रोतों के संयोजन का स्पेक्ट्रल पावर डिस्ट्रीब्यूशन उनके व्यक्तिगत स्पेक्ट्रल पावर डिस्ट्रीब्यूशन का रैखिक योग है:
SRGBW = Kr * Sr + Kg * Sg + Kb * Sb + Kw * Sw
व्हाइट एलईडी लाइट को आमतौर पर कलर टेम्परेचर के संदर्भ में वर्णित किया जाता है। कलर टेम्परेचर को उस तापमान के रूप में परिभाषित किया जाता है जिस पर एक ब्लैकबॉडी उस रंग के अनुरूप प्रकाश उत्सर्जित करती है जो प्रकाश स्रोत के रंग से मेल खाता है।
प्रकाशित वस्तुओं के रंगों को सटीक रूप से पुन: उत्पन्न करने की एक प्रकाश स्रोत की क्षमता का आमतौर पर मूल्यांकन CIE (इंटरनेशनल कमीशन ऑन इल्युमिनेशन) कलर रेंडरिंग इंडेक्स (CRI) नामक मानकीकृत मीट्रिक का उपयोग करके किया जाता है। हालांकि, जैसे-जैसे प्रकाश स्रोतों पर शोध आगे बढ़ा है, CRI को कुछ रंगों के मूल्यांकन में कुछ सीमाएं पाई गई हैं। इसलिए, यह शोध प्रकाश स्रोतों के प्रदीपन प्रदर्शन के मूल्यांकन मानदंड के रूप में इल्युमिनेटिंग इंजीनियरिंग सोसाइटी (IES) कलर फिडेलिटी इंडेक्स (Rf) और गैमट इंडेक्स (Rg) का उपयोग करता है।
कलर फिडेलिटी इंडेक्स और गैमट इंडेक्स 99 रंग नमूनों का उपयोग करते हैं, जो मानक CRI की तुलना में अधिक व्यापक है, जो आमतौर पर 15 रंग नमूनों का उपयोग करता है, जिससे प्रकाश स्रोत के रंग प्रदर्शन का अधिक संपूर्ण मूल्यांकन संभव होता है।
Rf की गणना J'a'b' रंग स्थान में यूक्लिडियन दूरी पर आधारित है, जो CAM02-UCS में मानक रंग अंतर सूत्र के रूप में कार्य करता है:
ΔElab,i = √((ft,i - fr,i)2 + (at,i - ar,i)2 + (bt,i - br,i)2)
Rg is a measure of chroma which is the ratio of the area of the polygon formed by the average coordinate in each hue angle box to the area of the polygon formed by the reference illuminant:
Rg = 100 * At / Ar
मिश्रित प्रकाश परिणामों के अधिक सहज मूल्यांकन के लिए, परिणामों को मात्रात्मक रूप में व्यक्त करने हेतु एक स्कोरिंग प्रणाली का उपयोग किया जाता है:
S = 100 - cct/10 - 2 * (100 - Rf) - |100 - Rg|
2.2 एलईडी स्पेक्ट्रल पावर डिस्ट्रीब्यूशन टेम्परेचर मॉडल की स्थापना
एलईडी की अंतर्निहित विशेषताओं के कारण, उनका स्पेक्ट्रल पावर डिस्ट्रीब्यूशन (SPD) तापमान के साथ परिवर्तित होता है। सामान्य तौर पर, आरजीबी एलईडी के लिए, पीक वेवलेंथ में रेडशिफ्ट होती है और पीक वैल्यू तापमान बढ़ने के साथ घटती है।
इस शोध में 20°C से 90°C तक 10°C के अंतराल पर R, G, B और W एलईडी के स्पेक्ट्रल पावर डिस्ट्रीब्यूशन का परीक्षण किया गया। लाल एलईडी तापमान से सबसे अधिक प्रभावित होती है, जिसकी 90°C पर पीक वैल्यू 20°C पर पीक वैल्यू की तुलना में 60% से अधिक घट जाती है और इसमें स्पष्ट रेडशिफ्ट घटना दिखाई देती है। नीली और हरी एलईडी लाल एलईडी की तुलना में कम प्रभावित होती हैं, लेकिन उनकी पीक वैल्यू भी क्रमशः 20% और 22% कम हो जाती है।
प्रत्येक एलईडी के SPD को गणितीय रूप से मॉडल करने के लिए, सिंगल-कलर एलईडी के लिए एक गाऊसी मॉडल का उपयोग किया जाता है, जिसमें निर्धारित किए जाने वाले पैरामीटर हैं: शिखर मान, शिखर तरंगदैर्ध्य और फुल विड्थ ऐट हाफ मैक्सिमम (FWHM)। व्हाइट एलईडी में आमतौर पर दो शिखर होते हैं, इसलिए उन्हें वर्णित करने के लिए डबल गाऊसी मॉडल का उपयोग किया जाता है।
मॉडल स्थापित करने के बाद, एलईडी लाइट स्रोतों के SPD को तीन पैरामीटर द्वारा दर्शाया जा सकता है: शिखर मान, शिखर तरंगदैर्ध्य और फुल विड्थ ऐट हाफ मैक्सिमम (FWHM)। विभिन्न तापमानों पर इन पैरामीटर को रैखिक रूप से फिट करके, SPD और तापमान के बीच संबंध प्राप्त किया जाता है।
मॉडल के सत्यापन से पता चलता है कि मॉडल का उपयोग करके प्राप्त गणना परिणाम वास्तविक स्पेक्ट्रल पावर डिस्ट्रीब्यूशन से निकटता से मेल खाते हैं, जहाँ R² 0.98 से अधिक है।
3. परिणाम और चर्चा
3.1 प्रकाश मिश्रण परिणामों पर तापमान का प्रभाव
LED तापमान क्षतिपूर्ति का लक्ष्य लक्षित तापमान सीमा के भीतर प्रकाश उत्पादन को यथासंभव स्थिर रखना है। सबसे पहले, 20°C पर RGBW LED प्रकाश स्रोत के प्रकाश मिश्रण परिणामों को प्रारंभिक अवस्था के रूप में प्राप्त किया जाता है।
तापमान बढ़ने के साथ, बिना तापमान क्षतिपूर्ति के सीधे प्रकाश मिश्रण के लिए LED ऑन-टाइम का उपयोग करने से बड़े उतार-चढ़ाव हो सकते हैं। तापमान वृद्धि से होने वाली मुख्य समस्या प्रकाश स्रोत के रंग तापमान में वृद्धि है, और अधिकांश रंग तापमानों पर Rg और Rf प्रदर्शन थोड़ा कम हो जाता है।
20°C पर RGBW LED मिश्रण परिणाम
| CCT (K) | Rf | आरजी | रेड | हरा | नीला | सफेद |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
55°C की तुलना 20°C से करने पर, CCT का अधिकतम विचलन = 2000K, विचलन मान 333K है, Rf का अधिकतम विचलन = 15.95, Rg का अधिकतम विचलन = 34.5 है। 85°C की तुलना 20°C से करने पर, CCT का अधिकतम विचलन = 6500K, Rf का अधिकतम विचलन = 31.94, और Rg का अधिकतम विचलन = 53.7 है।
3.2 एलईडी लाइट सोर्स का तापमान क्षतिपूर्ति
क्षतिपूर्ति प्रक्रिया मुख्य रूप से दो चरणों में विभाजित है: रंग शक्ति क्षतिपूर्ति और चमक क्षतिपूर्ति। सबसे पहले, प्रकाश उत्पादन के रंग की एकरूपता को यथासंभव बनाए रखने के लिए, तापमान क्षतिपूर्ति का परिणाम प्रकाश मिश्रण परिणामों की प्रारंभिक अवस्था के यथासंभव करीब होना चाहिए।
Non-dominated Sorted Genetic Algorithm (NSGA-II) का उपयोग बहु-उद्देश्य अनुकूलन के लिए किया जाता है। उद्देश्य प्रत्येक रंगीन LED को PWM ड्यूटी साइकिल को बदलकर नियंत्रित करके मिश्रित रंग तापमान और लक्ष्य रंग तापमान के बीच विचलन, Rf और Rg को अनुकूलित करना है।
एल्गोरिथ्म पैरामीटर इस प्रकार सेट किए गए हैं: प्रारंभिक जनसंख्या आकार M=30, विकासवादी पीढ़ियों का अंत G=300, क्रॉसओवर संभावना Pc=0.8, उत्परिवर्तन संभावना Pm=0.1।
अनुकूलन लक्ष्य की प्राथमिकता इस प्रकार निर्धारित की गई है: पहले CCT विचलन क्षतिपूर्ति, उसके बाद Rf क्षतिपूर्ति और अंत में Rg क्षतिपूर्ति। इस उद्देश्य के तहत, प्रकाश स्रोत के रंग तापमान का लक्ष्य रंग तापमान से विचलन आमतौर पर 10K के भीतर होता है।
Rf भी प्रदर्शन के बहुत करीब हो सकता है, विचलन मान सभी 3 से कम हैं। 55°C पर, 2000K-7000K के अंतराल में Rf का विचलन 4% से कम है, और 3000K-7000K के अंतराल में Rf का विचलन 2.15% से कम है। 85°C पर, Rf विचलन 2000K-7000K अंतराल में 6% से कम और 3000K-7000K अंतराल में 2.21% से कम है।
Rg की क्षतिपूर्ति प्राथमिकता कम है और CCT और Rf की तुलना में इसका विचलन थोड़ा अधिक है, लेकिन विचलन मान आमतौर पर 5 से कम ही रहते हैं। 55°C पर Rg विचलन 4% से कम और 85°C पर 4.46% से कम होता है।
रंग क्षतिपूर्ति पूरी होने के बाद, ल्यूमिनेंस क्षतिपूर्ति की जाती है ताकि प्रकाश स्रोत की चमकीली तीव्रता रंग क्षतिपूर्ति से पहले वाली स्थिति के समान हो जाए।
4. निष्कर्ष
मल्टी-कलर LED मिक्स्ड लाइटिंग लाइटिंग उद्योग की एक भविष्य की प्रवृत्ति का प्रतिनिधित्व करती है। लाइटिंग प्रभाव, नियंत्रण कठिनाई और लागत विचारों के आधार पर, बाजार में सबसे आम मल्टी-कलर LED मिक्स्ड लाइटिंग समाधान दो-रंग तापमान और साथ ही RGBW हैं।
LED की स्वयं की विशेषताओं के कारण, अलग-अलग रंगों के LED स्पेक्ट्रल पावर डिस्ट्रीब्यूशन में तापमान बढ़ने पर अलग-अलग डिग्री का परिवर्तन उत्पन्न होगा। यह शोध LED स्पेक्ट्रल पावर डिस्ट्रीब्यूशन-तापमान संबंध को मॉडल करता है, और स्पेक्ट्रल सुपरपोजिशन प्रमेय के आधार पर NSGA-II एल्गोरिदम का उपयोग करके RGBW एलईडी के स्पेक्ट्रल तापमान की क्षतिपूर्ति करता है, जिसका लक्ष्य अलग-अलग तापमानों पर एलईडी के प्रकाश आउटपुट प्रभाव को सुसंगत बनाना है।
प्रकाश स्रोत के प्रत्येक प्रकाश आउटपुट पैरामीटर के लिए क्षतिपूर्ति प्राथमिकता रंग तापमान पहले, Rf दूसरा और Rg अंतिम है। परिणाम बताते हैं कि चयनित प्रकाश स्रोतों के समूह में, CCT विचलन 10K से कम है; 2000K-7000K सीमा में Rf विचलन मान 4% से कम है, 3000K-7000K सीमा में 2.15% से कम है; 2000K-7000K सीमा में Rg विचलन मान 4.46% से कम है।
विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों के लिए, वांछित प्रकाश व्यवस्था प्रभाव प्राप्त करने हेतु विभिन्न क्षतिपूर्ति प्राथमिकताओं को नियंत्रित किया जा सकता है।
संदर्भ
पूरी संदर्भ सूची पीडीएफ दस्तावेज़ में उपलब्ध है। मुख्य संदर्भों में एलईडी तापमान प्रभाव, रंग प्रतिपादन मेट्रिक्स, मल्टी-कलर एलईडी मिश्रण और अनुकूलन समस्याओं में जेनेटिक अल्गोरिदम अनुप्रयोगों पर कार्य शामिल हैं।
नोट: उपरोक्त शोध पत्र सामग्री का सारांश है। पूर्ण दस्तावेज़ में व्यापक प्रायोगिक डेटा, गणितीय मॉडल, विज़ुअलाइज़ेशन और विस्तृत विश्लेषण शामिल है। गहन पठन के लिए हम पूर्ण PDF डाउनलोड करने की सलाह देते हैं।