Öz
Bu makale, hızlı baskın olmayan sıralamalı genetik algoritma (NSGA-II) tabanlı RGBW LED karışımı için bir sıcaklık kompanzasyon yöntemi önermektedir. Önerilen yöntem, farklı sıcaklıklardaki spektral güç dağılımını (SPD) tahmin ederek LED ilişkili renk sıcaklığı (CCT), renk sadakati (Rf) ve renk gamı indeksindeki (Rg) sıcaklık kaynaklı değişimlerin kompanzasyonunu sağlayabilir.
Temel Sonuçlar: 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%.
Temel Performans Metrikleri
Araştırma Öne Çıkanlar
NSGA-II Tabanlı Sıcaklık Kompanzasyonu
Yöntem, LED renk parametrelerindeki sıcaklık kaynaklı değişimleri kompanze etmek için hızlı dominant olmayan sıralamalı genetik algoritma (NSGA-II) kullanarak, sıcaklık değişimleri boyunca yüksek çıktı tutarlılığı sağlar.
Kapsamlı Spektral Modelleme
RGBW LED ışık kaynağının SPD-sıcaklık modelini farklı sıcaklıklarda spektral güç dağılımı ölçümüyle oluşturur; tüm uyarlanmış modeller için R² değerleri 0.98'in üzerindedir.
Çok Amaçlı Optimizasyon
CCT sapması, renk sadakati (Rf) ve gamut indeksi (Rg) için eşzamanlı optimize eder; öncelik CCT telafisine, ardından Rf ve Rg'ye verilir.
Sıcaklık Aralığında Etkili Telafi
Yöntem, geniş bir sıcaklık aralığında (20°C ila 90°C) ve CCT aralığında (2000K ila 7000K) tutarlı performansı koruyarak, sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan sapmaları önemli ölçüde azaltır.
Pratik Uygulama
Pratik uygulama için PWM görev döngüsü kontrolünü kullanır ve telafi süreci renk gücü telafisi ve parlaklık telafisi aşamalarına ayrılır.
Kırmızı LED En Sıcaklık Duyarlı
Araştırma bulguları kırmızı LED'in sıcaklıktan en çok etkilendiğini göstermektedir; 90°C'deki tepe değeri 20°C'ye kıyasla %60'tan fazla azalırken, mavi ve yeşil LED'ler sırasıyla %20 ve %22'lik düşüşler göstermektedir.
İçerik Özeti
Belge İçeriği
1. Giriş
Aydınlatma teknolojisi ilerledikçe, insanlar artık tek renkli LED'lerle aydınlatma kullanmaktan memnun değiller. Daha fazla insan şimdi ayarlanabilir LED ışık kaynakları kullanmaya yöneliyor. Farklı aydınlatma seçenekleri daha konforlu çalışma ve yaşam ortamları yaratabilir. Uygun aydınlatma, insanların verimliliğini artırabilir ve daha iyi dinlenmeye yol açabilir.
Geleneksel ışık kaynaklarına kıyasla, LED ışık kaynakları daha küçük boyut, daha düşük enerji tüketimi ve daha uzun ömür gibi avantajlara sahiptir. Ancak sıcaklık, ışık kaynaklarının kalitesini etkileyen kritik bir faktördür. Dahili ısınma ve aşırı dış koşullar, LED'lerin çalışma sıcaklığında değişikliklere neden olarak parametre sapmalarına yol açabilir ve ışık kaynaklarının kararlılığını ve performansını etkileyebilir.
Ayarlanabilir ilişkili renk sıcaklığı (CCT) LED ışık kaynaklarının ortaya çıkışı, sıcaklık etkileri nedeniyle azalan ışık çıkış kalitesi sorununa potansiyel bir çözüm sunmaktadır. Halihazırda, ayarlanabilir CCT'ye sahip LED ışık kaynakları üzerine yapılan araştırmalar genel olarak üç yönteme ayrılmaktadır:
- Farklı CCT değerlerine sahip iki beyaz LED kullanarak
- Birden fazla tek renkli LED kullanarak
- Tek renkli LED'ler ve beyaz LED'lerin kombinasyonu kullanımı
Bu makale, LED'lerin kendi ısınması veya harici sıcaklık etkilerinden kaynaklanan LED aydınlatma varyasyonlarını azaltmayı veya tamamen ortadan kaldırmayı hedefleyerek RGBW LED'lerin optimal aydınlatma performansını araştırmaya odaklanmaktadır.
Deneysel Açıklama
2.1 Çok Renkli Işık Karışım Prensibi ve Işık Kaynağı Değerlendirmesi
Işık kaynağının rengi ve aydınlatılan nesnelerin renklerini doğru şekilde yeniden üretme yeteneği, ışık kaynağının spektral güç dağılımına bağlıdır. Çok renkli ışık kaynaklarının birleşiminin spektral güç dağılımı, bireysel spektral güç dağılımlarının lineer toplamıdır:
SRGBW = Kr * Sr + Kg * Sg + Kb * Sb + Kw * Sw
Beyaz LED ışığı genellikle renk sıcaklığı cinsinden ifade edilir. Renk sıcaklığı, bir kara cismin ışık kaynağının rengiyle eşleşen ışık yaydığı sıcaklık olarak tanımlanır.
Bir ışık kaynağının aydınlatılan nesnelerin renklerini doğru şekilde yeniden üretme yeteneği, genellikle CIE (Uluslararası Aydınlatma Komisyonu) Renk Geriverim İndeksi (CRI) adı verilen standart metrik kullanılarak değerlendirilir. Ancak, ışık kaynakları üzerine yapılan araştırmalar ilerledikçe, CRI'nın belirli renkleri değerlendirmede bazı sınırlamalarının olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle, bu araştırma ışık kaynaklarının aydınlatma performansının değerlendirme kriterleri olarak Illuminating Engineering Society (IES) Renk Doğruluğu İndeksi (Rf) ve Gamut İndeksi'ni (Rg) kullanmaktadır.
Renk Doğruluğu Endeksi ve Gamut Endeksi, 99 renk örneği kullanır; bu, tipik olarak 15 renk örneği kullanan standart CRI'ye kıyasla daha kapsamlıdır ve bir ışık kaynağının renk performansının daha ayrıntılı değerlendirilmesine olanak tanır.
Rf'nin hesaplanması, CAM02-UCS'te standart renk farkı formülü olarak J'a'b' renk uzayındaki Öklid mesafesine dayanır:
ΔElab,i = √((ft,i - fr,i)2 + (at,i - ar,i)2 + (bt,i - br,i)2)
Rg, bir renklilik ölçüsüdür ve her renk açısı kutusundaki ortalama koordinatın oluşturduğu çokgenin alanının, referans ışık kaynağının oluşturduğu çokgenin alanına oranıdır:
Rg = 100 * At / Ar
Karışık ışık sonuçlarının daha sezgisel bir değerlendirmesini sunmak için, sonuçları nicelendirmek üzere bir puanlama sistemi kullanılır:
S = 100 - cct/10 - 2 * (100 - Rf) - |100 - Rg|
2.2 LED Spektral Güç Dağılımı Sıcaklık Modelinin Oluşturulması
LED'lerin doğal özellikleri nedeniyle, spektral güç dağılımları (SPD) sıcaklıkla değişim gösterir. Genel olarak RGB LED'lerde, tepe dalga boyları kırmızıya kayma yaşarken tepe değerleri sıcaklık arttıkça azalır.
Araştırmada R, G, B ve W LED'lerin spektral güç dağılımları 20°C'den 90°C'ye kadar 10°C aralıklarla test edilmiştir. Kırmızı LED sıcaklıktan en çok etkilenen renk olup, 90°C'deki tepe değeri 20°C'deki tepe değerine kıyasla %60'tan fazla azalmış ve belirgin bir kırmızıya kayma fenomeni göstermiştir. Mavi ve yeşil LED'ler kırmızıya kıyasla daha az etkilenmekle birlikte tepe değerlerinde sırasıyla %20 ve %22'lik düşüşler gözlemlenmiştir.
Her bir LED'in SPD'sini matematiksel olarak modellemek için, tek renkli LED'ler için parametreleri belirlenecek olan bir Gauss modeli kullanılır: tepe değeri, tepe dalga boyu ve yarı maksimum tam genişlik (FWHM). Beyaz LED'ler tipik olarak iki tepe noktasına sahiptir, bu nedenle onları tanımlamak için çift Gauss modeli kullanılır.
Model kurulduktan sonra, LED ışık kaynaklarının SPD'si üç parametre ile temsil edilebilir: tepe değeri, tepe dalga boyu ve yarı maksimum tam genişlik (FWHM). Bu parametrelerin farklı sıcaklıklardaki değerleri doğrusal olarak uyumlandırarak, SPD ile sıcaklık arasındaki ilişki elde edilir.
Modelin doğrulanması, model kullanılarak hesaplanan sonuçların gerçek spektral güç dağılımlarıyla yakından örtüştüğünü ve R² değerinin 0.98'den büyük olduğunu göstermektedir.
3. Sonuçlar ve Tartışma
3.1 Sıcaklığın Işık Karıştırma Sonuçları Üzerindeki Etkisi
LED sıcaklık kompanzasyonunun hedefi, ışık çıkışını hedef sıcaklık aralığında mümkün olduğunca sabit tutmaktır. İlk olarak, RGBW LED ışık kaynağının 20°C'deki ışık karıştırma sonuçları başlangıç durumu olarak elde edilir.
Sıcaklık arttıkça, LED açık süresini sıcaklık kompanzasyonu olmadan doğrudan ışık karıştırmada kullanmak büyük varyasyonlara yol açabilir. Sıcaklık artışının neden olduğu temel sorun, ışık kaynağının renk sıcaklığının artmasıdır ve Rg ile Rf performansı çoğu renk sıcaklığında hafifçe daha düşüktür.
20°C'de RGBW LED Karışım Sonuçları
| CCT (K) | Rf | Rg | Kırmızı | Yeşil | Mavi | Beyaz |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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'de 20°C ile karşılaştırıldığında, CCT'nin maksimum sapması = 2000K, sapma değeri 333K, Rf'nin maksimum sapması = 15,95, Rg'nin maksimum sapması = 34,5'tir. 85°C'de 20°C ile karşılaştırıldığında, CCT'nin maksimum sapması = 6500K, Rf'nin maksimum sapması = 31,94 ve Rg'nin maksimum sapması = 53,7'dir.
3.2 LED Işık Kaynağının Sıcaklık Kompanzasyonu
Telafi işlemi temel olarak iki adıma ayrılır: renk gücü telafisi ve parlaklık telafisi. İlk olarak, ışık çıkışının renginin mümkün olduğunca tutarlı kalmasını sağlamak için sıcaklık telafisi sonucu, ışık karışımı sonuçlarının başlangıç durumuna mümkün olduğunca yakın olmalıdır.
Non-dominated Sorted Genetic Algorithm (NSGA-II) çok amaçlı optimizasyon için kullanılır. Amaç, her renk LED'in PWM görev döngüsü değiştirilerek kontrol edilmesi yoluyla karışık renk sıcaklığı ile hedef renk sıcaklığı arasındaki sapma, Rf ve Rg'yi optimize etmektir.
Algoritma parametreleri şu şekilde ayarlanmıştır: başlangıç popülasyon büyüklüğü M=30, evrimsel nesil sonu G=300, çaprazlama olasılığı Pc=0.8, mutasyon olasılığı Pm=0.1.
Optimizasyon hedefinin önceliği şu şekilde belirlenmiştir: önce CCT sapma telafisi, ardından Rf telafisi ve son olarak Rg telafisi. Bu hedef altında, ışık kaynağının renk sıcaklığının hedef renk sıcaklığından sapması genellikle 10K içindedir.
Rf performansına da oldukça yakın olabilir, sapma değerlerinin tümü 3'ten azdır. 55°C'de, 2000K-7000K aralığındaki Rf sapması %4'ten azdır ve 3000K-7000K aralığındaki Rf sapması %2.15'ten azdır. 85°C'de, Rf sapması 2000K-7000K aralığında %6'dan az ve 3000K-7000K aralığında %2.21'den azdır.
Rg'nin telafi önceliği daha düşüktür ve CCT ile Rf'ye kıyasla biraz daha yüksek sapma gösterir, ancak sapma değerleri genellikle 5'ten azdır. Rg sapması 55°C'de %4'ten, 85°C'de ise %4.46'dan düşüktür.
Renk telafisi tamamlandıktan sonra, ışık kaynağının parlaklık şiddetinin renk telafisi öncesiyle aynı olması için parlaklık telafisi yapılır.
4. Sonuç
Çok renkli LED karışık aydınlatma, aydınlatma endüstrisinde geleceğin trendini temsil eder. Aydınlatma etkisi, kontrol zorluğu ve maliyet değerlendirmeleri temel alındığında, piyasadaki en yaygın çok renkli LED karışık aydınlatma çözümleri iki renk sıcaklığı ve RGBW'dir.
LED'in kendi karakteristiğinden dolayı, farklı renklerdeki LED spektral güç dağılımı sıcaklık arttığında farklı derecelerde değişim üretir. Bu araştırma, LED spektral güç dağılımı-sıcaklık ilişkisini modellemekte ve spektral süperpozisyon teoremine dayanarak NSGA-II algoritmasıyla RGBW LED'lerin spektral sıcaklık kompanzasyonunu gerçekleştirmekte olup, amaç farklı sıcaklıklardaki LED'lerin ışık çıkış etkisini tutarlı kılmaktır.
Işık kaynağının her bir ışık çıkış parametresi için telafi önceliği önce renk sıcaklığı, ikinci olarak Rf ve son olarak Rg'dir. Sonuçlar, seçilen ışık kaynağı grubunda CCT sapmasının 10K'dan az olduğunu; 2000K-7000K aralığında Rf sapma değerinin %4'ten az, 3000K-7000K aralığında %2,15'ten az olduğunu; 2000K-7000K aralığında Rg sapma değerinin ise %4,46'dan az olduğunu göstermektedir.
Farklı uygulama senaryoları için, istenen aydınlatma etkisini elde etmek üzere farklı telafi öncelikleri kontrol edilebilir.
References
Tüm referans listesi PDF belgesinde mevcuttur. Önemli referanslar arasında LED sıcaklık etkileri, renk geriverim metriği, çok renkli LED karışımı ve optimizasyon problemlerinde genetik algoritma uygulamaları üzerine çalışmalar bulunmaktadır.
Not: Yukarıdaki içerik araştırma makalesinin özetidir. Eksiksiz belge kapsamlı deneysel veriler, matematiksel modeller, görselleştirmeler ve detaylı analizler içermektedir. Derinlemesine okuma için tam PDF dosyasını indirmenizi öneririz.