Abstract
Questo articolo propone un metodo di compensazione termica per la miscelazione di LED RGBW basato sull'algoritmo genetico di ordinamento non dominato veloce (NSGA-II). Il metodo proposto consente di compensare le variazioni indotte dalla temperatura nella temperatura di colore correlata (CCT) del LED, nella fedeltà cromatica (Rf) e nell'indice di gamma colori (Rg) attraverso la previsione della distribuzione spettrale di potenza (SPD) a diverse temperature.
Risultati Chiave 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%.
Metriche Chiave di Prestazione
Punti Salienti della Ricerca
Compensazione della Temperatura Basata su NSGA-II
Il metodo utilizza l'algoritmo genetico di ordinamento non dominato veloce (NSGA-II) per compensare le variazioni dei parametri cromatici dei LED indotte dalla temperatura, raggiungendo un'elevata coerenza dell'output durante le variazioni termiche.
Modellazione Spettrale Completa
Stabilisce il modello SPD-temperatura per sorgenti luminose LED RGBW misurando la distribuzione di potenza spettrale a diverse temperature, con valori R² superiori a 0.98 per tutti i modelli approssimati.
Ottimizzazione Multi-Obiettivo
Ottimizza simultaneamente la deviazione CCT, la fedeltà cromatica (Rf) e l'indice di gamma (Rg) dando priorità alla compensazione CCT, seguita da Rf e Rg.
Compensazione Efficace su Tutto l'Intervallo di Temperatura
Il metodo mantiene prestazioni uniformi in un'ampia gamma di temperature (da 20°C a 90°C) e di CCT (da 2000K a 7000K), riducendo significativamente le deviazioni causate dalle variazioni termiche.
Implementazione Pratica
Utilizza il controllo del duty cycle PWM per l'implementazione pratica, con processo di compensazione suddiviso in fasi di compensazione della potenza cromatica e compensazione della luminanza.
LED rosso più sensibile alla temperatura
I risultati della ricerca mostrano che il LED rosso è il più influenzato dalla temperatura, con il valore di picco a 90°C che diminuisce di oltre il 60% rispetto a 20°C, mentre i LED blu e verdi mostrano riduzioni rispettivamente del 20% e del 22%.
Panoramica dei Contenuti
Indice del Documento
1. Introduzione
Con il progresso della tecnologia dell'illuminazione, le persone non si accontentano più di utilizzare LED monocromatici per l'illuminazione. Sempre più persone preferiscono ora utilizzare sorgenti luminose LED regolabili. Diverse opzioni di illuminazione possono creare ambienti di lavoro e di vita più confortevoli. Un'illuminazione appropriata può aumentare la produttività delle persone e favorire un riposo migliore.
Rispetto alle sorgenti luminose tradizionali, le sorgenti LED presentano vantaggi come dimensioni ridotte, minore consumo energetico e maggiore durata. Tuttavia, la temperatura è un fattore critico che influisce sulla qualità delle sorgenti luminose. Il riscaldamento interno e le condizioni esterne estreme possono causare variazioni della temperatura operativa dei LED, determinando deviazioni dei parametri e influenzando stabilità e prestazioni delle sorgenti luminose.
L'avvento di sorgenti luminose LED a temperatura di colore correlata (CCT) regolabile offre una potenziale soluzione al problema della ridotta qualità della luce emessa causata dagli effetti termici. Attualmente, la ricerca sulle sorgenti luminose LED con CCT regolabile è generalmente suddivisa in tre metodi:
- Utilizzo di due LED bianchi con CCT differenti
- Utilizzo di più LED monocromatici
- Utilizzo di una combinazione di LED monocromatici e LED bianchi
Questo articolo si concentra sull'esplorazione delle prestazioni luminose ottimali dei LED RGBW, con l'obiettivo di ridurre o addirittura eliminare le variazioni nell'illuminazione LED causate dal riscaldamento dei LED stessi o da influenze termiche esterne.
2. Descrizione Sperimentale
2.1 Principio di Miscelazione della Luce Multicolore e Valutazione della Sorgente Luminosa
Il colore della sorgente luminosa e la sua capacità di riprodurre accuratamente i colori degli oggetti illuminati dipendono dalla distribuzione spettrale di potenza della sorgente. La distribuzione spettrale di potenza di una combinazione di sorgenti luminose multicolori è la somma lineare delle loro singole distribuzioni spettrali di potenza:
SRGBW = Kr * Sr + Kg * Sg + Kb * Sb + Kw * Sw
La luce bianca a LED è comunemente descritta in termini di temperatura di colore. La temperatura di colore è definita come la temperatura alla quale un corpo nero emette luce corrispondente al colore della sorgente luminosa.
La capacità di una sorgente luminosa di riprodurre accuratamente i colori degli oggetti illuminati è comunemente valutata utilizzando la metrica standardizzata denominata Indice di Resa Cromatica (CRI) della CIE (Commissione Internazionale dell'Illuminazione). Tuttavia, con il progredire della ricerca sulle sorgenti luminose, è emerso che il CRI presenta alcune limitazioni nella valutazione di determinati colori. Pertanto, questa ricerca utilizza l'Indice di Fedeltà Cromatica (Rf) e l'Indice di Gamma (Rg) della Illuminating Engineering Society (IES) come criteri di valutazione delle prestazioni illuminative delle sorgenti luminose.
L'Indice di Fedeltà Cromatica e l'Indice di Gamma utilizzano 99 campioni di colore, risultando più completi del CRI standard che tipicamente impiega 15 campioni, consentendo una valutazione più approfondita delle prestazioni cromatiche di una sorgente luminosa.
Il calcolo di Rf si basa sulla distanza euclidea nello spazio colore J'a'b' come formula standard di differenza cromatica in CAM02-UCS:
ΔElab,i = √((ft,i - fr,i)2 + (at,i - ar,i)2 + (bt,i - br,i)2)
Rg è una misura della cromia che rappresenta il rapporto tra l'area del poligono formato dalla coordinata media in ogni settore angolare di tonalità e l'area del poligono formato dall'illuminante di riferimento:
Rg = 100 * At / Ar
Per una valutazione più intuitiva dei risultati della luce mista, viene utilizzato un sistema di punteggio per quantificare i risultati:
S = 100 - cct/10 - 2 * (100 - Rf) - |100 - Rg|
2.2 Modello di Temperatura della Distribuzione di Potenza Spettrale LED
A causa delle caratteristiche intrinseche dei LED, la loro distribuzione spettrale di potenza (SPD) si modifica con la temperatura. In generale, per i LED RGB, le lunghezze d'onda di picco subiscono un redshift e i valori di picco diminuiscono all'aumentare della temperatura.
La ricerca ha testato la distribuzione spettrale di potenza dei LED R, G, B e W a intervalli di 10°C da 20°C a 90°C. Il LED rosso è il più influenzato dalla temperatura, con il suo valore di picco a 90°C che diminuisce di oltre il 60% rispetto al valore di picco a 20°C, mostrando un evidente fenomeno di redshift. I LED blu e verdi sono meno influenzati rispetto al LED rosso, ma i loro valori di picco subiscono riduzioni rispettivamente del 20% e del 22%.
Per modellare matematicamente lo SPD di ciascun LED, per i LED monocromatici viene utilizzato un modello gaussiano, con parametri da determinare: valore di picco, lunghezza d'onda di picco e larghezza a metà altezza (FWHM). I LED bianchi hanno tipicamente due picchi, quindi per descriverli viene utilizzato un modello doppio gaussiano.
Dopo aver stabilito il modello, lo SPD delle sorgenti luminose a LED può essere rappresentato da tre parametri: valore di picco, lunghezza d'onda di picco e larghezza a metà altezza (FWHM). Mediante l'adattamento lineare di questi parametri a diverse temperature, si ottiene la relazione tra SPD e temperatura.
La validazione del modello dimostra che i risultati calcolati utilizzando il modello corrispondono strettamente alle distribuzioni spettrali di potenza effettive, con R² maggiore di 0,98.
3. Risultati e Discussione
3.1 Effetto della Temperatura sui Risultati di Miscelazione Luminosa
L'obiettivo della compensazione termica dei LED è mantenere l'output luminoso il più costante possibile nell'intervallo di temperatura target. Inizialmente, si ottengono i risultati di miscelazione della luce della sorgente LED RGBW a 20°C come stato iniziale.
Con l'aumento della temperatura, l'utilizzo diretto dei tempi di accensione dei LED per la miscelazione senza compensazione termica può causare variazioni significative. Il problema principale causato dall'incremento termico è l'aumento della temperatura di colore della sorgente luminosa, con prestazioni Rg e Rf leggermente inferiori alla maggior parte delle temperature di colore.
Risultati della miscelazione LED RGBW a 20°C
| CCT (K) | Rf | Rg | Red | Verde | Blu | Bianco |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 rispetto a 20°C, la deviazione massima della CCT = 2000K, il valore di deviazione è 333K, la deviazione massima di Rf = 15,95, la deviazione massima di Rg = 34,5. A 85°C rispetto a 20°C, la deviazione massima della CCT = 6500K, la deviazione massima di Rf = 31,94 e la deviazione massima di Rg = 53,7.
3.2 Compensazione della Temperatura della Sorgente Luminosa a LED
Il processo di compensazione si divide principalmente in due fasi: compensazione della potenza cromatica e compensazione della luminanza. Innanzitutto, per mantenere quanto più possibile la coerenza del colore della luce emessa, il risultato della compensazione della temperatura dovrebbe avvicinarsi il più possibile allo stato iniziale dei risultati della miscelazione della luce.
Non-dominated Sorted Genetic Algorithm (NSGA-II) viene utilizzato per l'ottimizzazione multi-obiettivo. L'obiettivo è ottimizzare la deviazione, Rf e Rg tra la temperatura di colore mista e la temperatura di colore target controllando ogni LED colorato variando il ciclo di lavoro PWM.
I parametri dell'algoritmo sono impostati come: dimensione iniziale della popolazione M=30, generazioni evolutive finali G=300, probabilità di crossover Pc=0.8, probabilità di mutazione Pm=0.1.
La priorità dell'obiettivo di ottimizzazione è impostata come: compensazione della deviazione CCT per prima, seguita dalla compensazione Rf e infine dalla compensazione Rg. Con questo obiettivo, la deviazione della temperatura di colore della sorgente luminosa dalla temperatura di colore target è solitamente entro 10K.
Anche Rf può essere molto vicino alle prestazioni, con valori di deviazione tutti inferiori a 3. A 55°C, la deviazione di Rf nell'intervallo 2000K-7000K è inferiore al 4%, e la deviazione di Rf nell'intervallo 3000K-7000K è inferiore al 2.15%. A 85°C, la deviazione Rf è inferiore al 6% nell'intervallo 2000K-7000K e inferiore al 2.21% nell'intervallo 3000K-7000K.
Rg ha una priorità di compensazione inferiore e presenta una deviazione leggermente superiore rispetto a CCT e Rf, ma i valori di deviazione sono solitamente inferiori a 5. La deviazione di Rg è inferiore al 4% a 55°C e inferiore al 4,46% a 85°C.
Dopo il completamento della compensazione cromatica, viene eseguita la compensazione della luminanza per rendere l'intensità luminosa della fonte luminosa coerente con quella precedente alla compensazione cromatica.
4. Conclusione
L'illuminazione a LED multicolore rappresenta una tendenza futura nel settore dell'illuminazione. Sulla base di considerazioni relative all'effetto luminoso, alla difficoltà di controllo e ai costi, le soluzioni più comuni di illuminazione a LED multicolore sul mercato sono quelle a due temperature di colore e RGBW.
A causa delle caratteristiche intrinseche del LED, la distribuzione spettrale di potenza dei LED di diversi colori subisce variazioni di diversa entità con l'aumento della temperatura. Questa ricerca modella la relazione tra distribuzione spettrale di potenza e temperatura dei LED, e utilizza l'algoritmo NSGA-II per compensare la temperatura spettrale dei LED RGBW basandosi sul teorema di sovrapposizione spettrale, con l'obiettivo di uniformare l'effetto luminoso dei LED a diverse temperature.
La priorità di compensazione per ciascun parametro di emissione luminosa della sorgente è prima la temperatura di colore, poi Rf e infine Rg. I risultati mostrano che nel gruppo selezionato di sorgenti luminose, la deviazione CCT è inferiore a 10K; il valore di deviazione Rf nell'intervallo 2000K-7000K è inferiore al 4%, nell'intervallo 3000K-7000K è inferiore al 2,15%; il valore di deviazione Rg nell'intervallo 2000K-7000K è inferiore al 4,46%.
Per diversi scenari applicativi, è possibile controllare diverse priorità di compensazione per ottenere l'effetto di illuminazione desiderato.
References
L'elenco completo dei riferimenti è disponibile nel documento PDF. I riferimenti chiave includono lavori sugli effetti della temperatura dei LED, le metriche di resa cromatica, la miscelazione di LED multicolore e le applicazioni degli algoritmi genetici nei problemi di ottimizzazione.
Nota: Quanto sopra è un riepilogo del contenuto del documento di ricerca. Il testo completo contiene dati sperimentali estesi, modelli matematici, visualizzazioni e analisi dettagliate. Si consiglia di scaricare il PDF integrale per una lettura approfondita.