Instalación y programación de tiras LED RGB
Los diodos emisores de luz (o LED) reemplazan cada vez más a las fuentes de luz eléctrica estándar, como las bombillas incandescentes, las lámparas halógenas o los tubos fluorescentes. En primer lugar, son mucho más eficientes energéticamente, pero también tienen muchas otras ventajas.
En este artículo aprenderás:
- Qué es un LED,
- Cuál es la aplicación de diodos RGB,
- Cómo configurar el brillo del diodo,
- Qué es una tira de LED y LED RGB,
- Cómo controlar las tiras de LED,
- Qué tira y qué controlador elegir,
- Cómo elegir un LED adecuado.
Los LED se utilizan a menudo en sistemas de iluminación equipados con una amplia gama de diodos blancos. Sin embargo, cada vez con más frecuencia, los LED de color se utilizan para iluminar interiores con un efecto visual llamativo. La solución más avanzada de este tipo son los diodos RGB, cuyo color se puede controlar sin problemas, pero también se puede ajustar a casi cualquier color en el espectro visible. ¿Qué más hay que saber sobre esto?
¿Qué es un LED?
Los diodos emisores de luz (LED) son fuentes de luz semiconductoras que emiten luz cuando la corriente fluye a través de ellos. Los electrones en el semiconductor se recombinan con agujeros de electrones para liberar energía en forma de fotones. Este efecto se denomina electroluminiscencia.
El color de la luz emitida corresponde a la energía de los fotones, que a su vez está determinada por la energía requerida para que los electrones crucen la brecha de banda del semiconductor. La brecha de banda a veces se llama brecha de energía, y es un aspecto importante de todo semiconductor, por lo que el color del diodo depende del material utilizado para su construcción.
Los LED aparecieron en el mercado como componentes electrónicos disponibles comercialmente en 1962. Inicialmente, emitían luz infrarroja de baja intensidad. Los LED infrarrojos se utilizan principalmente en circuitos de control remoto, p. ej. en electrónica de consumo. Los primeros LED de luz visible también eran de baja intensidad y se limitaban al color rojo. Se fabricaron a partir de materiales como el fosfuro de galio (GaP) y el arseniuro de galio de aluminio (AlGaAs)
Los LED modernos están disponibles en las longitudes de onda visible, ultravioleta e infrarroja, con un alto rendimiento de emisión, lo que significa que generan mucha luz a un bajo costo de energía. Estos productos contemporáneos están hechos de una variedad de materiales semiconductores, dependiendo de la gama de colores deseada. Los diodos rojos se fabrican con fosfuro de aluminio, galio e indio (AlInGaP), lo que los hace más eficientes que los fabricados con GaP o AlGaAs. Los componentes de los diodos azules y verdes, por otro lado, se fabrican principalmente a partir de nitruro de galio (GaN) y nitruro de galio indio (InGaN). La cantidad de indio determina el color: cuanto más indio, más larga es la longitud de onda (por ejemplo, verde).
¿Cuál es la aplicación de los diodos RGB?
RGB es un modelo de color aditivo en el que las luces rojas, verdes y azules (como su nombre abreviado indica) se combinan de diferentes maneras para reproducir una amplia gama de colores.La aplicación principal del modelo de color RGB es detectar, representar y mostrar imágenes en sistemas electrónicos como televisores y computadoras, pero también se ha utilizado en fotografía analógica. Hoy en día, sin embargo, también se usa cada vez más en sistemas de iluminación. Antes de la era electrónica, el modelo de color RGB ya tenía una teoría sólida basada en la percepción humana de los colores.
La mezcla de luz roja, verde y azul de fuentes LED para producir luz blanca requiere circuitos electrónicos dedicados para controlar la mezcla de los colores y, dado que los diferentes diodos tienen patrones de emisión ligeramente diferentes, el equilibrio de color puede cambiar, dependiendo del ángulo de visión, incluso si las fuentes RGB están en un solo paquete, por lo que los diodos RGB rara vez se usan para producir iluminación blanca. Sin embargo, este método tiene muchas aplicaciones debido a la flexibilidad de mezclar diferentes colores y la alta eficiencia energética.
Los LED multicolores también ofrecen una nueva forma de crear luz de diferentes colores. La mayoría de los colores perceptibles se pueden formar mezclando diferentes cantidades de los tres colores primarios: rojo, verde y azul. Esto permite un control preciso y dinámico de la visualización de los colores. Pero el problema con el uso de led RGB para una visualización a color precisa en los sistemas de iluminación está relacionado con el hecho de que un cambio de temperatura también cambia la brecha de energía del semiconductor utilizado como componente. En consecuencia, se produce un cambio en la emisión de color de diodos individuales (rojo, verde y azul) en la estructura RGB. Esto no es un problema en el caso de los diodos de baja potencia.
Cómo configurar la modulación de ancho de pulso de brillo del diodo
El brillo de la emisión de diodos electroluminiscentes depende de la corriente que fluye a través de él. Esto, sin embargo, se puede controlar de muchas maneras. Los dos métodos más fáciles son usar una fuente de corriente controlada o un modulador PWM.
Una fuente de corriente es un circuito electrónico que entrega o absorbe corriente eléctrica que es independiente de su voltaje. Hay dos tipos de fuentes de corriente: una fuente de corriente independiente proporciona corriente constante, mientras que una fuente de corriente dependiente proporciona corriente que es proporcional a algún otro voltaje o a la corriente del circuito. Por lo tanto, para controlar los led, se necesita una fuente dependiente. La mayoría de las fuentes de corriente reales se hacen con el uso de elementos de resistencia controlada (por ejemplo, un transistor MOSFET). Se controla de tal manera que la caída de tensión en ese elemento también fuerza el flujo de la corriente deseada a través de la carga.
La desventaja de la solución con el elemento con pérdida que fuerza el flujo es su baja eficiencia energética. La caída de tensión en el elemento de control puede ser bastante significativa, especialmente para corrientes bajas. Además, esta forma de control, ya que necesita una entrada analógica, por ejemplo, tensión de control, es difícil de implementar en un sistema digital y requiere la implementación de elementos adicionales, como un convertidor digital a analógico.
PWM, o modulación de ancho de pulso, es un método para reducir la potencia promedio suministrada por una señal eléctrica cortando efectivamente la señal en partes separadas cuando se enciende y apaga (sin estados de transición, como en una forma de onda rectangular). El valor medio de la tensión (y la corriente) aplicada a la carga se controla encendiendo y apagando rápidamente un tipo específico de llave entre la fuente de alimentación y la carga. Cuanto más tiempo se encienda la llave en comparación con los períodos de apagado, mayor será la potencia total suministrada a la carga.
La modulación PWM es particularmente adecuada para cargas relativamente inertes, como motores que no se ven afectados tan fácilmente por la conmutación discreta. Reaccionan más lentamente debido a la inercia. La frecuencia de conmutación PWM debe ser lo suficientemente alta para no afectar a la carga. En el caso de los LED RGB, no es el receptor en sí, el diodo emisor de luz, el que es inerte, sino el ojo humano, que no percibe el parpadeo, porque promedia la intensidad de la luz.
La velocidad (o frecuencia) a la que la llave debe cambiar la carga puede variar considerablemente dependiendo de la carga y la aplicación del sistema. En el caso de los led, la frecuencia óptima también depende de la aplicación específica. El límite de frecuencia superior es la velocidad de conmutación del LED. El tiempo de conmutación de un LED típico es de entre varios cientos y varios miles de nanosegundos, lo que se traduce en frecuencias de conmutación de varios cientos de kilohercios a varios megahercios. Por otro lado, la frecuencia de conmutación mínima se define por la inercia del ojo humano. Con un objeto en movimiento, 200 Hz se utiliza como frecuencia de conmutación mínima para la tecla de control LED.
La principal ventaja de usar modulación PWM es que las pérdidas de potencia en los dispositivos de conmutación son muy bajas. Cuando el interruptor está apagado, la corriente prácticamente no fluye, y cuando la llave está encendida, la caída de tensión en la llave es marginal. Por lo tanto, las pérdidas de potencia, que son el producto de la caída de tensión y el flujo de corriente, son pequeñas en ambos casos. Además, PWM funciona muy bien con controles digitales, que debido a su naturaleza – control cero-uno – controlan la llave fácilmente.
Lo que es una tira de LED y LED RGB con controlador integrado
La tira de LED es una placa de circuito impreso flexible en la que se sueldan diodos emisores de luz (SMD) montados en superficie y otros componentes necesarios para el funcionamiento de los diodos. Por lo general, está equipado con un respaldo adhesivo.
Las tiras de led se usaban en el pasado solo en iluminación de acento, retroiluminación, iluminación de tareas e iluminación decorativa. Gracias a la mayor eficiencia de los led y a la disponibilidad de productos más potentes, las tiras de LED se utilizan ahora como iluminación de alto brillo que reemplaza eficazmente las luminarias con bombillas fluorescentes o halógenas.
Las tiras de LED populares también están disponibles en una versión con LED multicolores: RGB, RGBW. Este último tiene un diodo blanco adicional, que emite luz blanca de buena calidad – aprenderá más sobre él más adelante en este artículo. Controlarlos con la ayuda de controladores externos sería complicado debido a la gran cantidad de cables necesarios para controlar la tira más larga. Es por eso que los controladores integrados se utilizan a menudo para este tipo de tiras.
Cómo controlar las tiras de LED
La mayoría de las tiras de LED RGB se construyen con LED RGB clásicos con cuatro cables: un ánodo o cátodo común y un solo cable para cada uno de los colores. Los cables no se pueden conectar directamente a la fuente de alimentación, porque se necesita un controlador para un cambio de color fácil. Aunque esta solución nos permite controlar el color, el usuario debe recordar que toda la tira emite el mismo color, lo que puede ser una limitación en cuanto a su uso. Una solución en la que se utilizan controladores integrados, como la familia de chips Worldsemi WS28xx, en la tira, además de LED RBG, se ha vuelto popular recientemente.
También vale la pena mencionar que las tiras de LED RGB clásicas se controlan de manera diferente a las que tienen controladores. Esto se debe principalmente al hecho de que en el caso de los controladores integrados, la estructura cambia: solo se usa una línea (DATOS) para controlar, y no tres líneas separadas para cada color. Puede utilizar, por ejemplo, soluciones de control basadas en Arduino aquí.
Las tiras con circuitos de este grupo generalmente se llaman programables o inteligentes, mientras que el controlador en sí tiene la forma de un circuito integrado, diseñado para controlar los LED. Incluye un pestillo de datos digital inteligente interno para el puerto de entrada, su propia dirección individual, así como un circuito de controlador de potencia. También tiene un oscilador interno preciso y un regulador de voltaje de 12 V para LED. Para reducir la ondulación en el sistema, los canales PWM individuales se controlan con un cambio de fase. Este sistema utiliza el modo de comunicación NZR.
En el sistema NZR, la familia de sistemas WS28xx están conectados en serie. El pin DIN es la entrada de datos y el DO es la salida. Los datos se suministran al pasador DIN del primer conductor de la cadena. Su DO está unido al DIN del siguiente, etc. Después de reiniciar el chip, la línea DIN recibe datos del controlador. El primer chip recoge los primeros 24 bits de datos (tres veces 8 bits para tres colores) y luego los envía al pestillo de datos interno. Los datos restantes son enviados por la salida DO.
Los datos de salida DO se almacenan en búfer mediante circuitos digitales incorporados, por lo que el siguiente controlador recibe una forma de onda de alta calidad. Esto aumenta el alcance del chip, ya que los únicos límites de longitud de banda son la distancia máxima entre los controladores y el número de direcciones disponibles.
Cuando el controlador bloquea los datos, el sistema genera las señales de control PWM adecuadas en las salidas OUTR, OUTG y OUTB, diseñadas para controlar los diodos rojos, verdes y azules en la tira. Gracias a la posibilidad de abordar la familia de circuitos WS28xx, es posible ajustar el color y el brillo del diodo RGB individualmente, lo que amplía enormemente el rango de aplicación. Por ejemplo, en las tiras que utilizan este sistema, cada diodo puede emitir un color diferente y con una intensidad diferente, independientemente de los otros diodos en la tira.
Vale la pena mencionar que también hay soluciones integrales disponibles que contienen tanto las estructuras LED RGB como un controlador direccionable integrado en una carcasa, lo que simplifica la aplicación y reduce el cos final. Estos diodos se ofrecen tanto en una versión económica de Worldsemi como en la versión ofrecida por Liteon, con diodos integrados de alta calidad caracterizados por una alta repetibilidad.
¿Qué tira y qué controlador elegir?
Muchas tiras de LED RGB diferentes con controladores integrados están disponibles en el mercado. Se trata de tiras con diferentes opciones de alimentación y número de LED, lo que se traduce en diferentes niveles de brillo. Estos productos van de 30 a 144 ledes por metro y tienen una potencia máxima de salida de 36W a 86,4 W (por 1 metro de tira).
Las tiras LED RGB se pueden suministrar con 5V, 12V o 24V DC. La elección de una banda específica debe estar dictada por la tensión de alimentación disponible en el sistema específico. Por ejemplo, para un sistema de microcontrolador, astrip suministrado con 5V funcionará perfectamente, y en un sistema industrial, una tira suministrada con 24V será la mejor opción. Además, al elegir la tira de LED para aplicaciones industriales, vale la pena verificar la clase de protección de entrada del producto. Si elige un modelo con clasificación IP65, puede contar con la fiabilidad del sistema, ya que esta clase garantiza la resistencia al polvo y la protección contra la humedad.
RGB o RGBW – ¿cómo elegir un LED adecuado?
Una tira de LED RGB estándar utiliza tres LED (rojo, verde y azul). Puede producir una amplia gama de colores, mezclando estos tres colores y dando una luz casi blanca, pero incluso cuando los tres led están encendidos al máximo brillo, el color final está lejos de ser perfecto. Por lo tanto, se aplican tiras de LED RGB + W, que utilizan cuatro LED: LED RGB y un diodo emisor de luz blanco adicional.
Aunque los LED RGB pueden producir un color similar al blanco, el LED blanco dedicado en la estructura proporciona un tono blanco mucho más puro y permite el uso de un chip blanco cálido o frío adicional. Además, el chip blanco ofrece posibilidades adicionales para mezclar colores con chips RGB, y de esta manera puede crear una impresionante gama de tonos únicos.