Installation und Programmierung von RGB LED Streifen
Leuchtdioden (oder LEDs) ersetzen zunehmend herkömmliche elektrische Lichtquellen wie Glühlampen, Halogenlampen oder Leuchtstoffröhren. Erstens sind sie weitaus energieeffizienter, haben aber auch viele andere Vorteile.
In diesem Artikel erfahren Sie:
- Was ist eine LED,
- Was ist die anwendung von RGB dioden,
- Wie zu set die diode der helligkeit,
- Was ist eine LED und RGB LED streifen,
- Wie zu kontrollieren LED streifen,
- Die streifen und die controller zu wählen,
- So wählen Sie eine geeignete LED aus.
LEDs werden häufig in Beleuchtungssystemen verwendet, die mit einer Vielzahl von weißen Dioden ausgestattet sind. Immer häufiger werden jedoch farbige LEDs eingesetzt, um Innenräume mit einem auffälligen visuellen Effekt zu beleuchten. Die fortschrittlichste Lösung dieses Typs sind RGB-Dioden, deren Farbe stufenlos gesteuert, aber auch auf fast jede Farbe im sichtbaren Spektrum eingestellt werden kann. Was gibt es darüber noch zu wissen?
Was ist eine LED?
Leuchtdioden (LEDs) sind Halbleiterlichtquellen, die Licht emittieren, wenn Strom durch sie fließt. Elektronen im Halbleiter rekombinieren mit Elektronenlöchern, um Energie in Form von Photonen freizusetzen. Dieser Effekt wird Elektrolumineszenz genannt.
Die Farbe des emittierten Lichts entspricht der Energie der Photonen, die wiederum durch die Energie bestimmt wird, die die Elektronen benötigen, um die Bandlücke des Halbleiters zu durchqueren. Die Bandlücke wird manchmal als Energielücke bezeichnet und ist ein wichtiger Aspekt jedes Halbleiters – daher hängt die Farbe der Diode vom Material ab, das für ihre Konstruktion verwendet wird.
LEDs kamen 1962 als handelsübliche elektronische Bauteile auf den Markt. Anfangs emittierten sie Infrarotlicht geringer Intensität. Infrarot-LEDs werden vor allem in Fernsteuerschaltungen, z.B. in der Unterhaltungselektronik. Die ersten LEDs für sichtbares Licht waren ebenfalls von geringer Intensität und auf die rote Farbe beschränkt. Sie wurden aus Materialien wie Galliumphosphid (GaP) und Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) hergestellt
Moderne LEDs sind im sichtbaren, ultravioletten und infraroten Wellenlängenbereich mit hoher Emissionsleistung erhältlich, was bedeutet, dass sie viel Licht für niedrige Energiekosten erzeugen. Diese modernen Produkte werden aus einer Vielzahl von halbleitenden Materialien hergestellt, abhängig von der gewünschten Farbpalette. Rote Dioden werden unter Verwendung von Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid (AlInGaP) hergestellt, wodurch sie effizienter sind als solche aus GaP oder AlGaAs. Die Komponenten von blauen und grünen Dioden werden dagegen hauptsächlich aus Galliumnitrid (GaN) und Indiumgalliumnitrid (InGaN) hergestellt. Die Menge an Indium bestimmt die Farbe – je mehr Indium, desto länger die Wellenlänge (z.B. grün).
Was ist die Anwendung von RGB-Dioden?
RGB ist ein additives Farbmodell, bei dem rote, grüne und blaue (wie der abgekürzte Name schon sagt) Lichter auf unterschiedliche Weise kombiniert werden, um eine breite Palette von Farben wiederzugeben.Die Hauptanwendung des RGB-Farbmodells besteht darin, Bilder in elektronischen Systemen wie Fernsehgeräten und Computern zu erkennen, darzustellen und anzuzeigen, aber es wurde auch in der analogen Fotografie verwendet. Heutzutage wird es aber auch zunehmend in Beleuchtungssystemen eingesetzt. Vor dem elektronischen Zeitalter hatte das RGB-Farbmodell bereits eine solide Theorie, die auf der menschlichen Wahrnehmung von Farben basierte.
Das Mischen von rotem, grünem und blauem Licht von LED-Quellen zur Erzeugung von weißem Licht erfordert spezielle elektronische Schaltungen, um die Mischung der Farben zu steuern, und da verschiedene Dioden leicht unterschiedliche Emissionsmuster aufweisen, kann sich die Farbbalance je nach Blickwinkel ändern, selbst wenn sich die RGB-Quellen in einem einzigen Gehäuse befinden. Nichtsdestotrotz hat diese Methode aufgrund der Flexibilität beim Mischen verschiedener Farben und der hohen Energieeffizienz viele Anwendungen.
Mehrfarbige LEDs bieten auch eine neue Möglichkeit, Licht in verschiedenen Farben zu erzeugen. Die meisten wahrnehmbaren Farben können durch Mischen verschiedener Mengen der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau gebildet werden. Dies ermöglicht eine präzise und dynamische Steuerung der Farbdarstellung. Das Problem bei der Verwendung von RGB-LEDs für eine genaue Farbdarstellung in Beleuchtungssystemen hängt jedoch damit zusammen, dass eine Temperaturänderung auch die Energielücke des als Bauelement verwendeten Halbleiters verändert. Folglich tritt in der RGB-Struktur eine Änderung der Farbemission einzelner Dioden (rot, grün und blau) auf. Dies ist bei Dioden mit geringer Leistung kein Problem.
Einstellen der Helligkeit der Diode – Pulsweitenmodulation
Die Helligkeit der Emission der Elektrolumineszenzdiode hängt vom durch sie fließenden Strom ab. Dies kann jedoch in einer Vielzahl von Möglichkeiten gesteuert werden. Die beiden einfachsten Methoden sind die Verwendung einer gesteuerten Stromquelle oder eines PWM-Modulators.
Eine Stromquelle ist eine elektronische Schaltung, die elektrischen Strom liefert oder absorbiert, der unabhängig von seiner Spannung ist. Es gibt zwei Arten von Stromquellen: Eine unabhängige Stromquelle liefert konstanten Strom, während eine abhängige Stromquelle Strom liefert, der proportional zu einer anderen Spannung oder dem Stromkreisstrom ist. Um LEDs zu steuern, wird daher eine abhängige Quelle benötigt. Die meisten tatsächlichen Stromquellen werden unter Verwendung von Elementen mit kontrolliertem Widerstand (z. B. einem MOSFET-Transistor) hergestellt. Es wird so gesteuert, dass der Spannungsabfall an diesem Element auch den Fluss des gewünschten Stroms durch die Last erzwingt.
Der Nachteil der Lösung mit dem verlustbehafteten Element, das die Strömung erzwingt, ist ihre geringe Energieeffizienz. Der Spannungsabfall am Steuerelement kann insbesondere bei geringen Strömen sehr groß sein. Darüber hinaus ist diese Art der Steuerung, da sie einen analogen Eingang – z. B. Steuerspannung – benötigt, in einem digitalen System schwierig zu implementieren und erfordert die Implementierung zusätzlicher Elemente wie eines Digital-Analog-Wandlers.
PWM oder Pulsweitenmodulation ist eine Methode zur Verringerung der durchschnittlichen Leistung eines elektrischen Signals, indem das Signal beim Ein– und Ausschalten effektiv in separate Teile geschnitten wird (ohne Übergangszustände – wie in einer rechteckigen Wellenform). Der Durchschnittswert der an die Last angelegten Spannung (und des Stroms) wird durch schnelles Ein- und Ausschalten eines bestimmten Schlüsseltyps zwischen der Stromversorgung und der Last gesteuert. Je länger der Schlüssel im Vergleich zu den Ausschaltzeiten eingeschaltet ist, desto größer ist die Gesamtleistung, die der Last zugeführt wird.
Die PWM-Modulation eignet sich besonders für relativ träge Lasten, wie z. B. Motoren, die durch diskretes Schalten nicht so leicht beeinflusst werden. Sie reagieren aufgrund der Trägheit langsamer. Die PWM-Schaltfrequenz muss hoch genug sein, um die Last nicht zu beeinflussen. Bei RGB-LEDs ist nicht der Empfänger selbst – die Leuchtdiode – träge, sondern das menschliche Auge, das das Blinken nicht wahrnimmt, weil es die Lichtintensität mittelt.
Die Geschwindigkeit (oder Frequenz), mit der der Schlüssel die Last schalten muss, kann je nach Last und Anwendung des Systems erheblich variieren. Bei LEDs hängt die optimale Frequenz auch von der spezifischen Anwendung ab. Die obere Frequenzgrenze ist die Schaltgeschwindigkeit der LED. Die Schaltzeit einer typischen LED liegt zwischen mehreren hundert und mehreren tausend Nanosekunden, was sich in Schaltfrequenzen von mehreren hundert Kilohertz bis zu mehreren Megahertz niederschlägt. Andererseits wird die minimale Schaltfrequenz durch die Trägheit des menschlichen Auges definiert. Bei einem sich bewegenden Objekt werden 200 Hz als minimale Schaltfrequenz für die LED-Steuertaste verwendet.
Der Hauptvorteil der Verwendung der PWM-Modulation besteht darin, dass die Leistungsverluste in den Schaltgeräten sehr gering sind. Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, fließt der Strom praktisch nicht, und wenn der Schlüssel eingeschaltet ist, ist der Spannungsabfall am Schlüssel marginal. Leistungsverluste, die das Produkt aus Spannungsabfall und Stromfluss sind, sind daher in beiden Fällen gering. Darüber hinaus funktioniert PWM sehr gut mit digitalen Steuerungen, die aufgrund ihrer Beschaffenheit – Null-Eins–Steuerung – die Taste einfach steuern.
Was ist ein LED- und RGB-LED-Streifen mit integriertem Treiber
LED-Streifen ist eine flexible Leiterplatte, auf der oberflächenmontierte Leuchtdioden (SMDs) und andere Komponenten, die für den Betrieb der Dioden benötigt werden, gelötet sind. Es ist normalerweise mit einer klebenden Rückseite ausgestattet.
LED-Streifen wurden in der Vergangenheit nur in Akzentbeleuchtung, Hintergrundbeleuchtung, Arbeitsplatzbeleuchtung und dekorativer Beleuchtung verwendet. Dank der gesteigerten Effizienz von LEDs und der Verfügbarkeit leistungsstärkerer Produkte werden LED-Streifen heute als Beleuchtung mit hoher Helligkeit eingesetzt, die Leuchten effektiv durch Leuchtstoff- oder Halogenlampen ersetzt.
Beliebte LED-Streifen sind auch in einer Version mit mehrfarbigen LEDs erhältlich: RGB, RGBW. Letzteres verfügt über eine zusätzliche, weiße Diode, die qualitativ hochwertiges weißes Licht emittiert – mehr dazu erfahren Sie später in diesem Artikel. Die Steuerung mit Hilfe externer Treiber wäre aufgrund der großen Anzahl von Leitungen, die zur Steuerung des längeren Streifens erforderlich sind, kompliziert. Aus diesem Grund werden für diese Art von Streifen häufig integrierte Treiber verwendet.
So steuern Sie LED-Streifen
Die meisten RGB-LED-Streifen bestehen aus klassischen RGB-LEDs mit vier Leitungen – einer gemeinsamen Anode oder Kathode und einer einzigen Leitung für jede der Farben. Kabel können nicht direkt an die Stromversorgung angeschlossen werden, da ein Treiber für einen einfachen Farbwechsel erforderlich ist. Obwohl eine solche Lösung es uns ermöglicht, die Farbe zu kontrollieren, sollte der Benutzer daran denken, dass der gesamte Streifen die gleiche Farbe ausstrahlt, was eine Einschränkung in Bezug auf seine Verwendung darstellen kann. Eine Lösung, bei der neben RBG-LEDs auch integrierte Treiber wie die Worldsemi WS28xx-Chipfamilie auf dem Streifen verwendet werden, ist in letzter Zeit populär geworden.
Es ist auch erwähnenswert, dass klassische RGB-LED-Streifen anders gesteuert werden als solche mit Treibern. Dies liegt hauptsächlich daran, dass sich bei integrierten Treibern die Struktur ändert – nur eine Zeile (DATEN) wird zur Steuerung verwendet und nicht drei separate Zeilen für jede Farbe. Hier können Sie z.B. auf Arduino basierende Steuerungslösungen verwenden.
Streifen mit Schaltungen aus dieser Gruppe werden normalerweise als programmierbar oder intelligent bezeichnet, während der Treiber selbst die Form einer integrierten Schaltung zur Steuerung von LEDs aufweist. Es enthält eine interne intelligente digitale Datenverriegelung für den Eingangsport, eine eigene individuelle Adresse sowie eine Leistungsreglerschaltung. Es hat auch einen präzisen internen Oszillator und einen 12V Spannungsregler für LEDs. Um die Welligkeit im System zu reduzieren, werden einzelne PWM-Kanäle mit einer Phasenverschiebung angesteuert. Dieses System verwendet den NZR-Kommunikationsmodus.
Im NZR-System sind die Systeme der WS28xx-Familie in Reihe geschaltet. Der DIN-Pin ist der Dateneingang und der DO ist der Ausgang. Die Daten werden dem DIN-Pin des ersten Treibers in der Kette zugeführt. Sein DO ist an den DIN des nächsten usw. angehängt. Nach dem Neustart des Chips empfängt die DIN-Leitung Daten von der Steuerung. Der erste Chip sammelt die ersten 24 Datenbits (dreimal 8 Bit für drei Farben) und sendet sie dann an das interne Datenlatch. Die restlichen Daten werden vom DO-Ausgang weiter gesendet.
Die DO-Ausgangsdaten werden durch eingebaute digitale Schaltungen gepuffert, so dass der nächste Treiber eine qualitativ hochwertige Wellenform erhält. Dies erhöht die Reichweite des Chips, da die Streifenlänge nur durch den maximalen Abstand zwischen den Treibern und die Anzahl der verfügbaren Adressen begrenzt wird.
Wenn der Treiber die Daten einrastet, erzeugt das System entsprechende PWM-Steuersignale an den Ausgängen OUTR, OUTG und OUTB, die zur Steuerung der roten, grünen und blauen Dioden auf dem Streifen vorgesehen sind. Dank der Möglichkeit, die WS28xx-Schaltungsfamilie anzusprechen, ist es möglich, Farbe und Helligkeit der RGB-Diode individuell einzustellen, was den Anwendungsbereich erheblich erweitert. Zum Beispiel kann in Streifen, die dieses System verwenden, jede Diode eine andere Farbe und mit einer anderen Intensität emittieren, unabhängig von den anderen Dioden auf dem Streifen.
Es ist erwähnenswert, dass es auch umfassende Lösungen gibt, die sowohl die RGB-LED-Strukturen als auch einen integrierten adressierbaren Treiber in einem Gehäuse enthalten, was die Anwendung vereinfacht und die Endkosten senkt. Solche Dioden werden sowohl in einer Budgetversion von Worldsemi als auch in der von Liteon angebotenen Version mit hochwertigen eingebetteten Dioden angeboten, die sich durch hohe Wiederholbarkeit auszeichnen.
Welche streifen und die controller zu wählen?
Viele verschiedene RGB-LED-Streifen mit integrierten Treibern sind auf dem Markt erhältlich. Dies sind Streifen mit unterschiedlichen Leistungs- und LED-Nummernoptionen, die sich in unterschiedlichen Helligkeitsstufen niederschlagen. Solche Produkte reichen von 30 bis 144 LEDs pro Meter und haben eine maximale Ausgangsleistung von 36 W bis 86,4 W (pro 1 Meter Streifen).
RGB LED Streifen können mit 5V, 12V oder 24V DC versorgt werden. Die Wahl eines bestimmten Streifens muss durch die im jeweiligen System verfügbare Versorgungsspannung bestimmt werden. Zum Beispiel für ein Mikrocontrollersystemein mit 5 V gelieferter Streifen funktioniert perfekt, und in einem industriellen System ist ein mit 24 V gelieferter Streifen die beste Wahl. Bei der Auswahl eines LED-Streifens für industrielle Anwendungen lohnt es sich außerdem, die Schutzart des Produkts zu überprüfen. Wenn Sie sich für ein Modell mit Schutzart IP65 entscheiden, können Sie sich auf die Zuverlässigkeit des Systems verlassen, da diese Klasse Staubdichtigkeit und Schutz vor Feuchtigkeit garantiert.
RGB oder RGBW – wie wählt man eine geeignete LED?
Ein Standard-RGB-LED-Streifen verwendet drei LEDs (rot, grün und blau). Es kann eine breite Palette von Farben erzeugen, diese drei Farben mischen und ein fast weißes Licht abgeben, aber selbst wenn alle drei LEDs mit maximaler Helligkeit leuchten, ist die endgültige Farbe alles andere als perfekt. Daher werden RGB + W LED-Streifen verwendet, die vier LEDs verwenden: RGB-LED und eine zusätzliche weiße Leuchtdiode.
Obwohl RGB-LEDs selbst eine ähnliche Farbe wie Weiß erzeugen können, bietet die dedizierte weiße LED in der Struktur einen viel reineren Weißton und ermöglicht die Verwendung eines zusätzlichen Warm- oder Kaltweißchips. Darüber hinaus bietet der weiße Chip zusätzliche Möglichkeiten, Farben mit RGB-Chips zu mischen, und auf diese Weise können Sie eine beeindruckende Auswahl an einzigartigen Farbtönen erstellen.