Abstrak
Kertas kerja ini mencadangkan kaedah pampasan suhu untuk pencampuran LED RGBW berdasarkan algoritma genetik penyusunan bukan dominan pantas (NSGA-II). Kaedah yang dicadangkan dapat mencapai pampasan untuk perubahan suhu yang disebabkan oleh suhu korelasi warna (CCT), kesetiaan warna (Rf) dan indeks gamut warna (Rg) LED dengan meramalkan taburan kuasa spektrum (SPD) pada suhu yang berbeza.
Keputusan Utama: 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%.
Metrik Prestasi Utama
Research Highlights
Pampasan Suhu Berasaskan NSGA-II
Kaedah ini menggunakan algoritma genetik penyusunan bukan dominan pantas (NSGA-II) untuk mengimbangi perubahan parameter warna LED yang disebabkan oleh suhu, mencapai konsistensi tinggi dalam output merentasi variasi suhu.
Pemodelan Spektrum Komprehensif
Membangun model SPD-suhu bagi sumber cahaya LED RGBW dengan mengukur taburan kuasa spektrum pada suhu berbeza, dengan nilai R² melebihi 0.98 untuk semua model yang dipasang.
Pengoptimuman Multi-Objektif
Mengoptimumkan secara serentak sisihan CCT, ketepatan warna (Rf), dan indeks gamut (Rg) dengan keutamaan diberi kepada pampasan CCT, diikuti oleh Rf dan Rg.
Pampasan Berkesan Merentasi Julat Suhu
Kaedah ini mengekalkan prestasi yang konsisten merentasi julat suhu yang luas (20°C hingga 90°C) dan julat CCT (2000K hingga 7000K), mengurangkan secara ketara sisihan yang disebabkan oleh perubahan suhu.
Pelaksanaan Praktikal
Menggunakan kawalan kitaran tugas PWM untuk pelaksanaan praktikal, dengan proses pampasan dibahagikan kepada peringkat pampasan kuasa warna dan pampasan luminans.
LED Merah Paling Sensitif Suhu
Penemuan kajian menunjukkan LED merah paling terjejas oleh suhu, dengan nilai puncak pada 90°C menurun lebih 60% berbanding 20°C, manakala LED biru dan hijau masing-masing menunjukkan pengurangan 20% dan 22%.
Gambaran Keseluruhan Kandungan
Kandungan Dokumen
1. Pengenalan
Dengan kemajuan teknologi pencahayaan, orang tidak lagi berpuas hati dengan menggunakan LED satu warna untuk pencahayaan. Lebih ramai orang kini cenderung menggunakan sumber cahaya LED yang boleh dilaraskan. Pilihan pencahayaan berbeza dapat mewujudkan persekitaran kerja dan kehidupan yang lebih selesa. Pencahayaan yang sesuai dapat meningkatkan produktiviti manusia dan membawa kepada rehat yang lebih baik.
Berbanding sumber cahaya tradisional, sumber cahaya LED mempunyai kelebihan seperti saiz lebih kecil, penggunaan tenaga lebih rendah dan jangka hayat lebih panjang. Walau bagaimanapun, suhu merupakan faktor kritikal yang mempengaruhi kualiti sumber cahaya. Pemanasan dalaman dan keadaan luaran melampung boleh menyebabkan perubahan suhu operasi LED, mengakibatkan sisihan parameter dan menjejaskan kestabilan serta prestasi sumber cahaya.
Kemunculan sumber cahaya LED dengan suhu warna berkorelasi (CCT) yang boleh dilaraskan menawarkan penyelesaian potensi terhadap masalah pengurangan kualiti output cahaya akibat kesan suhu. Pada masa ini, penyelidikan mengenai sumber cahaya LED dengan CCT boleh laras secara umumnya dibahagikan kepada tiga kaedah:
- Menggunakan dua LED putih dengan CCT berbeza
- Menggunakan pelbagai LED satu warna
- Menggunakan gabungan LED satu warna dan LED putih
Kertas ini memberi tumpuan kepada meneroka prestasi pencahayaan optimum LED RGBW dengan matlamat mengurangkan atau menghapuskan variasi dalam pencahayaan LED yang disebabkan oleh pemanasan LED itu sendiri atau pengaruh suhu luaran.
2. Penerangan Eksperimen
2.1 Prinsip Pencampuran Cahaya Multi-Warna dan Penilaian Sumber Cahaya
Warna sumber cahaya dan kemampuannya untuk menghasilkan semula warna objek yang disinari dengan tepat bergantung pada taburan kuasa spektrum sumber cahaya tersebut. Taburan kuasa spektrum bagi gabungan sumber cahaya multi-warna merupakan jumlah linear taburan kuasa spektrum individu masing-masing:
SRGBW = Kr * Sr + Kg * Sg + Kb * Sb + Kw * Sw
Cahaya LED putih biasanya digambarkan dari segi suhu warna. Suhu warna ditakrifkan sebagai suhu di mana jasad hitam memancarkan cahaya yang sepadan dengan warna sumber cahaya.
Keupayaan sumber cahaya untuk menghasilkan semula warna objek yang diterangi dengan tepat biasanya dinilai menggunakan metrik piawai yang dipanggil Indeks Pembiakan Warna (CRI) CIE (Suruhanjaya Pencahayaan Antarabangsa). Walau bagaimanapun, seiring dengan kemajuan penyelidikan mengenai sumber cahaya, CRI didapati mempunyai beberapa batasan dalam menilai warna tertentu. Oleh itu, kajian ini menggunakan Indeks Kesetiaan Warna (Rf) dan Indeks Gamut (Rg) Persatuan Kejuruteraan Pencahayaan (IES) sebagai kriteria penilaian untuk prestasi pencahayaan sumber cahaya.
Indeks Kesetiaan Warna dan Indeks Gamut menggunakan 99 sampel warna, yang lebih komprehensif berbanding piawai CRI yang biasanya menggunakan 15 sampel warna, membolehkan penilaian prestasi warna sumber cahaya yang lebih menyeluruh.
Pengiraan Rf adalah berdasarkan jarak Euclidean dalam ruang warna J'a'b' sebagai formula perbezaan warna piawai dalam CAM02-UCS:
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
Untuk memberikan penilaian yang lebih intuitif terhadap hasil pencampuran cahaya, sistem pemarkahan digunakan untuk mengkuantifikasi hasil:
S = 100 - cct/10 - 2 * (100 - Rf) - |100 - Rg|
2.2 Penubuhan Model Suhu Pengagihan Kuasa Spektrum LED
Disebabkan ciri-ciri semula jadi LED, taburan kuasa spektrum (SPD) beralih mengikut suhu. Secara umumnya, bagi LED RGB, panjang gelombang puncak mengalami anjakan merah, dan nilai puncak menurun apabila suhu meningkat.
Kajian menguji taburan kuasa spektrum LED R, G, B dan W pada selang 10°C dari 20°C hingga 90°C. LED merah paling terjejas oleh suhu, dengan nilai puncaknya pada 90°C menurun lebih 60% berbanding nilai puncak pada 20°C, dan menunjukkan fenomena anjakan merah yang ketara. LED biru dan hijau kurang terjejas berbanding LED merah, tetapi nilai puncak mereka juga mengalami penurunan masing-masing sebanyak 20% dan 22%.
Untuk memodelkan SPD setiap LED secara matematik, model Gaussian digunakan untuk LED satu warna dengan parameter yang perlu ditentukan: nilai puncak, panjang gelombang puncak dan lebar penuh pada separuh maksimum (FWHM). LED putih biasanya mempunyai dua puncak, jadi model Gaussian berganda digunakan untuk menggambarkannya.
Selepas menubuhkan model, SPD sumber cahaya LED boleh diwakili oleh tiga parameter: nilai puncak, panjang gelombang puncak dan lebar penuh pada separuh maksimum (FWHM). Dengan melaksanakan pemasaan linear parameter ini pada suhu berbeza, hubungan antara SPD dan suhu diperoleh.
Pengesahan model menunjukkan bahawa keputusan pengiraan menggunakan model itu sangat sepadan dengan taburan kuasa spektrum sebenar, dengan R² melebihi 0.98.
3. Results and Discussion
3.1 Effect of Temperature on Light Mixing Results
Matlamat pampasan suhu LED adalah untuk mengekalkan output cahaya setakat mungkin malar dalam julat suhu sasaran. Pertama, keputusan pencampuran cahaya sumber cahaya LED RGBW pada 20°C diperoleh sebagai keadaan awal.
Apabila suhu meningkat, penggunaan masa hidup LED secara langsung untuk pencampuran cahaya tanpa pampasan suhu boleh mengakibatkan variasi besar. Masalah utama yang disebabkan oleh peningkatan suhu ialah peningkatan suhu warna sumber cahaya, dan prestasi Rg serta Rf adalah sedikit lebih rendah pada kebanyakan suhu warna.
Keputusan Pencampuran LED RGBW pada 20°C
| CCT (K) | Rf | Rg | Red | Hijau | Biru | Putih |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 | Sembilan puluh satu perpuluhan sembilan enam | Seratus lima perpuluhan satu empat | 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 |
Pada suhu 55°C berbanding 20°C, sisihan maksimum CCT = 2000K, nilai sisihan ialah 333K, sisihan maksimum Rf = 15.95, sisihan maksimum Rg = 34.5. Pada suhu 85°C berbanding 20°C, sisihan maksimum CCT = 6500K, sisihan maksimum Rf = 31.94, dan sisihan maksimum Rg = 53.7.
3.2 Temperature Compensation of the LED Light Source
Proses pampasan terutamanya dibahagikan kepada dua langkah: pampasan kuasa warna dan pampasan luminans. Pertama, untuk mengekalkan konsistensi warna output cahaya sebanyak mungkin, hasil pampasan suhu harus sedekat mungkin dengan keadaan awal hasil pencampuran cahaya.
Non-dominated Sorted Genetic Algorithm (NSGA-II) digunakan untuk pengoptimuman multi-objektif. Objektifnya adalah untuk mengoptimumkan sisihan, Rf dan Rg antara suhu warna campuran dan suhu warna sasaran dengan mengawal setiap LED warna melalui perubahan kitaran tugas PWM.
Parameter algoritma ditetapkan sebagai: saiz populasi awal M=30, penghujung generasi evolusi G=300, kebarangkalian silang Pc=0.8, kebarangkalian mutasi Pm=0.1.
Keutamaan sasaran pengoptimuman ditetapkan sebagai: pampasan sisihan CCT dahulu, diikuti pampasan Rf dan akhirnya pampasan Rg. Di bawah objektif ini, sisihan suhu warna sumber cahaya dari suhu warna sasaran biasanya dalam lingkungan 10K.
Rf juga boleh menghampiri prestasi dengan sangat dekat, dengan nilai sisihan kesemuanya kurang daripada 3. Pada 55°C, sisihan Rf dalam julat 2000K-7000K adalah kurang daripada 4%, dan sisihan Rf dalam julat 3000K-7000K adalah kurang daripada 2.15%. Pada 85°C, sisihan Rf adalah kurang daripada 6% dalam julat 2000K-7000K dan kurang daripada 2.21% dalam julat 3000K-7000K.
Rg mempunyai keutamaan pampasan yang lebih rendah dan sisihan yang sedikit lebih tinggi berbanding CCT dan Rf, tetapi nilai sisihan biasanya masih kurang daripada 5. Sisihan Rg adalah kurang daripada 4% pada 55°C dan kurang daripada 4.46% pada 85°C.
Selepas pampasan warna selesai, pampasan luminans dilakukan untuk menjadikan keamatan cahaya sumber cahaya konsisten dengan sebelum pampasan warna.
4. Conclusion
Pencahayaan campuran LED pelbagai warna mewakili tren masa depan dalam industri pencahayaan. Berdasarkan pertimbangan kesan pencahayaan, kesukaran kawalan dan kos, penyelesaian pencahayaan campuran LED pelbagai warna yang paling biasa di pasaran adalah suhu dua warna serta RGBW.
Disebabkan ciri-ciri LED itu sendiri, taburan kuasa spektrum LED bagi warna berbeza akan menghasilkan perubahan darjah yang berbeza apabila suhu meningkat. Kajian ini memodelkan hubungan taburan kuasa spektrum LED-suhu, dan menggunakan algoritma NSGA-II untuk mengimbangi suhu spektrum LED RGBW berdasarkan teorem superposisi spektrum, dengan matlamat untuk menjadikan kesan output cahaya LED pada suhu berbeza konsisten.
Keutamaan pampasan bagi setiap parameter output cahaya sumber cahaya ialah suhu warna dahulu, diikuti Rf, dan akhirnya Rg. Keputusan menunjukkan bahawa dalam kumpulan sumber cahaya terpilih, sisihan CCT adalah kurang daripada 10K; nilai sisihan Rf dalam julat 2000K-7000K adalah kurang daripada 4%, julat 3000K-7000K kurang daripada 2.15%; nilai sisihan Rg dalam julat 2000K-7000K adalah kurang daripada 4.46%.
Untuk senario aplikasi berbeza, keutamaan pampasan berbeza boleh dikawal untuk mencapai kesan pencahayaan yang dikehendaki.
References
Senarai rujukan lengkap boleh didapati dalam dokumen PDF. Rujukan utama termasuk kajian mengenai kesan suhu LED, metrik pembiakan warna, pencampuran LED pelbagai warna, dan aplikasi algoritma genetik dalam masalah pengoptimuman.
Nota: Yang di atas adalah ringkasan kandungan kertas penyelidikan. Dokumen lengkap mengandungi data eksperimen yang meluas, model matematik, visualisasi, dan analisis terperinci. Kami mengesyorkan memuat turun PDF penuh untuk pembacaan mendalam.