Аннотация
В данной статье предлагается метод температурной компенсации для смешения RGBW светодиодов на основе быстрого недоминируемого сортирующего генетического алгоритма (NSGA-II). Предлагаемый метод позволяет осуществлять компенсацию вызванных температурой изменений коррелированной цветовой температуры (CCT), индекса цветопередачи (Rf) и индекса цветового охвата (Rg) светодиодов путем прогнозирования спектрального распределения мощности (SPD) при различных температурах.
Ключевые результаты: 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%.
Ключевые показатели эффективности
Основные результаты исследования
Температурная компенсация на основе NSGA-II
Метод использует быстрый недоминируемый сортирующий генетический алгоритм (NSGA-II) для компенсации вызванных температурой изменений цветовых параметров светодиодов, достигая высокой стабильности выходных характеристик при температурных вариациях.
Комплексное спектральное моделирование
Создает SPD-температурную модель RGBW LED источника света путем измерения распределения спектральной мощности при различных температурах, со значениями R² выше 0.98 для всех аппроксимированных моделей.
Многокритериальная оптимизация
Одновременная оптимизация отклонения CCT, цветопередачи (Rf) и индекса цветового охвата (Rg) с приоритетом компенсации CCT, затем Rf и Rg.
Эффективная компенсация во всем диапазоне температур
Метод сохраняет стабильные характеристики в широком диапазоне температур (от 20°C до 90°C) и коррелированной цветовой температуры (от 2000K до 7000K), значительно сокращая отклонения, вызванные температурными изменениями.
Практическая реализация
Использует управление скважностью ШИМ для практической реализации, при этом процесс компенсации разделен на этапы компенсации цветовой мощности и компенсации яркости.
Красный светодиод наиболее чувствителен к температуре
Результаты исследований показывают, что красный светодиод наиболее подвержен влиянию температуры: пиковое значение при 90°C снижается более чем на 60% по сравнению с 20°C, в то время как синие и зеленые светодиоды демонстрируют снижение на 20% и 22% соответственно.
Обзор содержания
Содержание документа
1. Введение
С развитием светотехники люди больше не довольствуются использованием одноцветных светодиодов для освещения. Теперь многие предпочитают использовать регулируемые светодиодные источники света. Различные варианты освещения позволяют создавать более комфортные рабочие и жилые среды. Правильное освещение способно повысить производительность труда и обеспечить более качественный отдых.
По сравнению с традиционными источниками света, светодиодные источники обладают такими преимуществами, как меньший размер, более низкое энергопотребление и длительный срок службы. Однако температура является критическим фактором, влияющим на качество источников света. Внутренний нагрев и экстремальные внешние условия могут вызывать изменения рабочей температуры светодиодов, приводя к отклонениям параметров и влияя на стабильность и производительность источников света.
Появление светодиодных источников света с регулируемой коррелированной цветовой температурой (CCT) предлагает потенциальное решение проблемы снижения качества светового потока из-за температурных эффектов. В настоящее время исследования светодиодных источников света с регулируемой CCT обычно делятся на три метода:
- Использование двух белых светодиодов с разной CCT
- Использование нескольких одноцветных светодиодов
- Использование комбинации одноцветных и белых светодиодов
Данная статья посвящена исследованию оптимальных светотехнических характеристик RGBW светодиодов с целью уменьшения или полного устранения изменений в светодиодном освещении, вызванных нагревом самих светодиодов или влиянием внешней температуры.
Описание эксперимента
2.1 Принцип смешения многоцветного света и оценка источников освещения
Цветовая характеристика источника освещения и его способность достоверно воспроизводить цвета освещаемых объектов определяются спектральным распределением мощности источника. Спектральное распределение мощности комбинированных многокомпонентных источников света представляет собой линейную сумму их индивидуальных спектральных распределений мощности:
SRGBW = Kr * Sr + Kg * Sg + Kb * Sb + Kw * Sw
Белый свет светодиодов обычно описывается с помощью цветовой температуры. Цветовая температура определяется как температура, при которой абсолютно черное тело излучает свет, соответствующий цвету источника света.
Способность источника света точно воспроизводить цвета освещаемых объектов обычно оценивается с помощью стандартизированного показателя, называемого Индексом цветопередачи (CRI) Международной комиссии по освещению (CIE). Однако по мере развития исследований источников света было обнаружено, что CRI имеет некоторые ограничения при оценке определенных цветов. Поэтому в данном исследовании в качестве критериев оценки осветительных характеристик источников света используются Индекс цветопередачи (Rf) и Индекс цветового охвата (Rg) Общества инженеров освещения (IES).
Индекс цветопередачи и индекс цветового охвата используют 99 цветовых образцов, что является более комплексным подходом по сравнению со стандартным CRI, который обычно использует 15 образцов, позволяя проводить более тщательную оценку цветовых характеристик источника света.
Расчет Rf основан на евклидовом расстоянии в цветовом пространстве J'a'b', используемом в качестве стандартной формулы цветового различия в CAM02-UCS:
ΔElab,i = √((ft,i - fr,i)2 + (at,i - ar,i)2 + (bt,i - br,i)2)
Rg является мерой хроматичности, представляющей собой отношение площади многоугольника, образованного средней координатой в каждом угловом секторе оттенка, к площади многоугольника, образованного эталонным источником освещения:
Rg = 100 * At / Ar
Для более наглядной оценки результатов смешения света используется система баллов для количественного выражения результатов:
S = 100 - cct/10 - 2 * (100 - Rf) - |100 - Rg|
2.2 Построение температурной модели спектрального распределения мощности светодиодов
В силу inherent characteristics светодиодов, их спектральное распределение мощности (SPD) изменяется в зависимости от температуры. Как правило, у RGB-светодиодов пиковые длины волн испытывают красное смещение, а пиковые значения уменьшаются с ростом температуры.
В ходе исследования было протестировано спектральное распределение мощности светодиодов R, G, B и W с шагом 10°C в диапазоне от 20°C до 90°C. Красный светодиод наиболее подвержен влиянию температуры: его пиковое значение при 90°C снижается более чем на 60% по сравнению с пиковым значением при 20°C и демонстрирует заметное явление красного смещения. Синий и зелёный светодиоды менее подвержены влиянию по сравнению с красным, но их пиковые значения также снижаются на 20% и 22% соответственно.
Для математического моделирования СПР каждого светодиода используется гауссова модель для одноцветных светодиодов с определяемыми параметрами: пиковое значение, пиковая длина волны и полная ширина на половине максимума (FWHM). Белые светодиоды обычно имеют два пика, поэтому для их описания используется двойная гауссова модель.
После установления модели СПР светодиодных источников света может быть представлена тремя параметрами: пиковое значение, пиковая длина волны и полная ширина на половине максимума (FWHM). Путем линейной аппроксимации этих параметров при разных температурах получается зависимость между СПР и температурой.
Валидация модели показывает, что расчетные результаты, полученные с использованием модели, тесно соответствуют фактическим распределениям спектральной мощности, при значении R² более 0,98.
3. Результаты и обсуждение
3.1 Влияние температуры на результаты смешения света
Цель температурной компенсации светодиодов — поддерживать световой выход максимально постоянным в целевом температурном диапазоне. Сначала получают результаты смешения света RGBW-источника при 20°C в качестве исходного состояния.
При повышении температуры прямое использование времени включения светодиодов для смешения света без температурной компенсации может приводить к значительным отклонениям. Основная проблема, вызванная ростом температуры, — увеличение цветовой температуры источника, при этом показатели Rg и Rf незначительно снижаются в большинстве цветовых температур.
Результаты смешения RGBW светодиодов при 20°C
| CCT (K) | Rf | Rg | Red | Зеленый | Синий | Белый |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
При температуре 55°C по сравнению с 20°C максимальное отклонение CCT = 2000K составляет 333K, максимальное отклонение Rf = 15,95, максимальное отклонение Rg = 34,5. При температуре 85°C по сравнению с 20°C максимальное отклонение CCT = 6500K, максимальное отклонение Rf = 31,94, максимальное отклонение Rg = 53,7.
3.2 Температурная компенсация светодиодного источника света
Процесс компенсации в основном делится на два этапа: компенсация цветовой мощности и компенсация яркости. Во-первых, для максимального сохранения согласованности цвета выходного света результат температурной компенсации должен быть максимально приближен к исходному состоянию результатов смешения цветов.
Для многоцелевой оптимизации используется Non-dominated Sorted Genetic Algorithm (NSGA-II). Цель заключается в оптимизации отклонения, Rf и Rg между смешанной цветовой температурой и целевой цветовой температурой путем управления каждым цветным светодиодом за счет изменения скважности ШИМ.
Параметры алгоритма установлены следующим образом: начальный размер популяции M=30, конечное число поколений эволюции G=300, вероятность кроссовера Pc=0.8, вероятность мутации Pm=0.1.
Приоритет целевой оптимизации установлен следующим образом: сначала компенсация отклонения CCT, затем компенсация Rf и, наконец, компенсация Rg. При такой постановке задачи отклонение цветовой температуры источника света от целевой обычно не превышает 10K.
Rf также может быть очень близок к производительности, при этом все значения отклонений меньше 3. При 55°C отклонение Rf в интервале 2000K-7000K составляет менее 4%, а в интервале 3000K-7000K - менее 2.15%. При 85°C отклонение Rf составляет менее 6% в интервале 2000K-7000K и менее 2.21% в интервале 3000K-7000K.
Rg имеет более низкий приоритет компенсации и немного большее отклонение, чем CCT и Rf, но значения отклонения также обычно меньше 5. Отклонение Rg составляет менее 4% при 55°C и менее 4,46% при 85°C.
После завершения цветовой компенсации выполняется компенсация яркости, чтобы сделать силу света источника согласованной с силой света до цветовой компенсации.
4. Заключение
Многоцветное смешанное светодиодное освещение представляет собой будущий тренд в светотехнической отрасли. Исходя из соображений светового эффекта, сложности управления и стоимости, наиболее распространенными решениями для многоцветного смешанного светодиодного освещения на рынке являются двухцветная температура, а также RGBW.
В силу особенностей самого светодиода, спектральное распределение мощности светодиодов разных цветов претерпевает различную степень изменений при повышении температуры. Данное исследование моделирует взаимосвязь спектрального распределения мощности светодиода и температуры и использует алгоритм NSGA-II для компенсации спектральной температуры RGBW светодиодов на основе теоремы спектрального наложения с целью достижения согласованности светового выходного эффекта светодиодов при разных температурах.
Приоритет компенсации для каждого параметра светового выхода источника света следующий: сначала цветовая температура, затем Rf и, наконец, Rg. Результаты показывают, что в выбранной группе источников света отклонение CCT составляет менее 10K; значение отклонения Rf в диапазоне 2000K-7000K составляет менее 4%, в диапазоне 3000K-7000K - менее 2,15%; значение отклонения Rg в диапазоне 2000K-7000K составляет менее 4,46%.
Для различных сценариев применения можно управлять разными приоритетами компенсации для достижения желаемого светового эффекта.
References
Полный список литературы доступен в PDF-документе. Ключевые ссылки включают работы по температурным эффектам светодиодов, метрикам цветопередачи, смешению многоцветных светодиодов и применению генетических алгоритмов в задачах оптимизации.
Примечание: Выше приведено краткое содержание научной статьи. Полный документ содержит обширные экспериментальные данные, математические модели, визуализации и детальный анализ. Рекомендуем скачать полную версию в формате PDF для углубленного изучения.