Installazione e programmazione di strisce LED RGB
I diodi emettitori di luce (o LED) sostituiscono sempre più spesso fonti standard di luce elettrica, come lampadine a incandescenza, lampade alogene o tubi fluorescenti. Prima di tutto, sono molto più efficienti dal punto di vista energetico, ma hanno anche molti altri vantaggi.
In questo articolo imparerai:
- Che cos’è un LED,
- Qual è l’applicazione dei diodi RGB,
- Come impostare la luminosità del diodo,
- Che cos’è un LED e una striscia LED RGB,
- Come controllare le strisce LED,
- Quale striscia e quale controller scegliere,
- Come scegliere un LED adatto.
I LED sono spesso utilizzati in sistemi di illuminazione dotati di una vasta gamma di diodi bianchi. Tuttavia, sempre più spesso i LED a colori vengono utilizzati per illuminare gli interni con un effetto visivo accattivante. La soluzione più avanzata di questo tipo sono i diodi RGB, il cui colore può essere controllato senza problemi, ma anche impostato su quasi tutti i colori dello spettro visibile. Cosa c’è di più da sapere su questi?
Che cos’è un LED?
I diodi emettitori di luce (LED) sono sorgenti luminose a semiconduttore che emettono luce quando la corrente li attraversa. Gli elettroni nel semiconduttore si ricombinano con fori di elettroni per rilasciare energia sotto forma di fotoni. Questo effetto è chiamato elettroluminescenza.
Il colore della luce emessa corrisponde all’energia dei fotoni, che a sua volta è determinata dall’energia richiesta agli elettroni per attraversare il band gap del semiconduttore. Il band gap è talvolta chiamato energy gap, ed è un aspetto importante di ogni semiconduttore-quindi il colore del diodo dipende dal materiale utilizzato per la sua costruzione.
I LED sono apparsi sul mercato come componenti elettronici disponibili in commercio nel 1962. Inizialmente, emettevano luce infrarossa a bassa intensità. I LED infrarossi sono utilizzati principalmente nei circuiti di controllo remoto, ad es. nell’elettronica di consumo. Anche i primi LED a luce visibile erano di bassa intensità e limitati al colore rosso. Sono stati fabbricati con materiali come il fosfuro di gallio (GaP) e l’arseniuro di gallio di alluminio (AlGaAs)
I moderni LED sono disponibili nelle lunghezze d’onda visibile, ultravioletta e infrarossa, con un’elevata emissione, il che significa che generano molta luce per un basso costo energetico. Questi prodotti contemporanei sono realizzati con una varietà di materiali semiconduttori, a seconda della gamma di colori desiderata. I diodi rossi sono fabbricati usando fosfuro di indio di gallio di alluminio (AlInGaP), che li rende più efficienti di quelli fatti di GaP o AlGaAs. I componenti dei diodi blu e verdi, d’altra parte, sono fabbricati principalmente da nitruro di gallio (GaN) e nitruro di gallio indio (InGaN). La quantità di indio determina il colore – più indio, più lunga è la lunghezza d’onda (ad esempio verde).
Qual è l’applicazione dei diodi RGB?
RGB è un modello di colore additivo in cui le luci rosse, verdi e blu (come suggerisce il nome abbreviato) sono combinate in modi diversi per riprodurre una vasta gamma di colori.L’applicazione principale del modello di colore RGB è quella di rilevare, rappresentare e visualizzare immagini in sistemi elettronici come televisori e computer, ma è stato utilizzato anche nella fotografia analogica. Al giorno d’oggi, tuttavia, è sempre più utilizzato anche nei sistemi di illuminazione. Prima dell’era elettronica, il modello di colore RGB aveva già una solida teoria basata sulla percezione umana dei colori.
la combinazione di rosso, verde e blu luce LED fonti per produrre luce bianca richiede circuiti elettronici per il controllo della miscelazione dei colori e, dal momento che diversi diodi sono leggermente dissimili emissione di modelli, il bilanciamento del colore può variare a seconda dell’angolo di visualizzazione, anche se le origini RGB sono in un unico pacchetto, in modo RGB diodi sono raramente utilizzati per produrre luce bianca. Tuttavia, questo metodo ha molte applicazioni a causa della flessibilità di miscelazione di diversi colori e dell’elevata efficienza energetica.
I LED multicolori offrono anche un nuovo modo di creare luce di diversi colori. I colori più percepibili possono essere formati mescolando diverse quantità dei tre colori primari: rosso, verde e blu. Ciò consente un controllo preciso e dinamico della visualizzazione dei colori. Ma il problema con l’utilizzo di LED RGB per una visualizzazione accurata dei colori nei sistemi di illuminazione è legato al fatto che un cambiamento di temperatura cambia anche il divario energetico del semiconduttore utilizzato come componente. Di conseguenza, un cambiamento nell’emissione di colore dei singoli diodi (rosso, verde e blu) si verifica nella struttura RGB. Questo non è un problema nel caso di diodi a bassa potenza.
Come impostare la luminosità del diodo – pulse-width modulation
La luminosità dell’emissione elettroluminescente del diodo dipende dalla corrente che lo attraversa. Questo, tuttavia, può essere controllato in una varietà di modi. I due metodi più semplici sono utilizzare una sorgente di corrente controllata o un modulatore PWM.
Una sorgente di corrente è un circuito elettronico che eroga o assorbe corrente elettrica indipendente dalla sua tensione. Esistono due tipi di sorgenti di corrente: una sorgente di corrente indipendente fornisce corrente costante, mentre una sorgente di corrente dipendente fornisce corrente proporzionale a qualche altra tensione o alla corrente del circuito. Pertanto, per controllare i LED, è necessaria una fonte dipendente. La maggior parte delle sorgenti di corrente reali sono realizzate con l’uso di elementi di resistenza controllata (ad esempio un transistor MOSFET). È controllato in modo tale che la caduta di tensione su quell’elemento costringa anche il flusso della corrente desiderata attraverso il carico.
Lo svantaggio della soluzione con l’elemento lossy che forza il flusso è la sua bassa efficienza energetica. La caduta di tensione all’elemento di controllo può essere piuttosto significativa, specialmente per basse correnti. Inoltre, questo modo di controllo, poiché richiede un ingresso analogico – ad esempio la tensione di controllo – è difficile da implementare in un sistema digitale e richiede l’implementazione di elementi aggiuntivi come un convertitore digitale-analogico.
PWM, o pulse-width modulation, è un metodo per ridurre la potenza media erogata da un segnale elettrico tagliando efficacemente il segnale in parti separate quando è acceso e spento (senza stati di transizione – come in una forma d’onda rettangolare). Il valore medio della tensione (e della corrente) applicata al carico viene controllato accendendo e spegnendo rapidamente un tipo specifico di chiave tra l’alimentazione e il carico. Più a lungo la chiave viene accesa rispetto ai periodi di spegnimento, maggiore è la potenza totale fornita al carico.
La modulazione PWM è particolarmente adatta per carichi relativamente inerti, come i motori che non sono così facilmente influenzati dalla commutazione discreta. Reagiscono più lentamente a causa dell’inerzia. La frequenza di commutazione PWM deve essere abbastanza alta da non influenzare il carico. Nel caso dei LED RGB, non è il ricevitore stesso – il diodo ad emissione luminosa – che è inerte, ma l’occhio umano, che non percepisce il lampeggio, perché media l’intensità della luce.
La velocità (o frequenza) con cui la chiave deve commutare il carico può variare considerevolmente a seconda del carico e dell’applicazione del sistema. Nel caso dei LED, la frequenza ottimale dipende anche dall’applicazione specifica. Il limite di frequenza superiore è la velocità di commutazione del LED. Il tempo di commutazione di un LED tipico è compreso tra diverse centinaia e diverse migliaia di nanosecondi, il che si traduce in frequenze di commutazione da diverse centinaia di kilohertz a diversi megahertz. D’altra parte, la frequenza minima di commutazione è definita dall’inerzia dell’occhio umano. Con un oggetto in movimento, 200 Hz viene utilizzato come frequenza minima di commutazione per il tasto di controllo LED.
Il vantaggio principale dell’utilizzo della modulazione PWM è che le perdite di potenza nei dispositivi di commutazione sono molto basse. Quando l’interruttore è spento, la corrente praticamente non scorre e quando la chiave è accesa, la caduta di tensione sulla chiave è marginale. Le perdite di potenza, che sono il prodotto della caduta di tensione e del flusso di corrente, sono quindi ridotte in entrambi i casi. Inoltre, PWM funziona molto bene con i controlli digitali, che a causa della loro natura – zero-one control – controllano facilmente la chiave.
Che cos’è una striscia LED e RGB LED con driver integrato
La striscia LED è un circuito stampato flessibile su cui sono saldati i diodi emettitori di luce montati in superficie (SMDS) e altri componenti necessari per il funzionamento dei diodi. Di solito è dotato di un supporto adesivo.
Le strisce LED sono state utilizzate in passato solo in illuminazione d’accento, retroilluminazione, illuminazione operativa e illuminazione decorativa. Grazie alla maggiore efficienza dei LED e alla disponibilità di prodotti più potenti, le strisce LED vengono ora utilizzate come illuminazione ad alta luminosità che sostituisce efficacemente gli apparecchi con lampade fluorescenti o alogene.
Le popolari strisce LED sono disponibili anche in una versione con LED multicolore: RGB, RGBW. Quest’ultimo ha un diodo bianco aggiuntivo, che emette luce bianca di buona qualità-imparerai di più più avanti in questo articolo. Controllarli con l’aiuto di driver esterni sarebbe complicato a causa del gran numero di cavi necessari per controllare la striscia più lunga. Ecco perché i driver integrati vengono spesso utilizzati per questo tipo di strisce.
Come controllare le strisce LED
La maggior parte delle strisce LED RGB sono costruite utilizzando LED RGB classici con quattro conduttori: un anodo o catodo comune e un singolo cavo per ciascuno dei colori. I cavi non possono essere collegati direttamente all’alimentazione elettrica, perché un driver è necessario per un cambiamento di colore facile. Sebbene tale soluzione ci consenta di controllare il colore, l’utente dovrebbe ricordare che l’intera striscia emette lo stesso colore, il che può essere un limite in termini di utilizzo. Una soluzione in cui i driver integrati, come la famiglia di chip Worldsemi WS28xx, vengono utilizzati sulla striscia oltre ai LED RBG è diventata popolare di recente.
Vale anche la pena ricordare che le classiche strisce LED RGB sono controllate in modo diverso rispetto a quelle con driver. Ciò è dovuto principalmente al fatto che nel caso di driver integrati la struttura cambia: viene utilizzata solo una linea (DATI) per controllare e non tre linee separate per ogni colore. È possibile utilizzare ad esempio soluzioni di controllo basate su Arduino qui.
Le strisce con circuiti di questo gruppo sono solitamente chiamate programmabili o intelligenti, mentre il driver stesso ha la forma di un circuito integrato, progettato per controllare i LED. Include un fermo dati digitale intelligente interno per la porta di ingresso, il proprio indirizzo individuale e un circuito di controllo di potenza. Ha anche un preciso oscillatore interno e un regolatore di tensione 12V per i LED. Al fine di ridurre l’ondulazione nel sistema, i singoli canali PWM sono controllati con uno sfasamento. Questo sistema utilizza la modalità di comunicazione NZR.
Nel sistema NZR, la famiglia di sistemi WS28xx è collegata in serie. Il pin DIN è l’ingresso dei dati e il DO è l’uscita. I dati vengono forniti al pin DIN del primo driver della catena. Il suo DO è attaccato al DIN del prossimo ecc. Dopo aver riavviato il chip, la linea DIN riceve i dati dal controller. Il primo chip raccoglie i primi 24 bit di dati (tre volte 8 bit per tre colori) e li invia al latch interno dei dati. I dati rimanenti vengono inviati ulteriormente dall’output DO.
I dati di uscita DO vengono bufferizzati da circuiti digitali integrati, quindi il driver successivo riceve una forma d’onda di alta qualità. Ciò aumenta la gamma del chip, poiché gli unici limiti alla lunghezza della striscia sono la distanza massima tra i driver e il numero di indirizzi disponibili.
Quando il driver blocca i dati, il sistema genera segnali di controllo PWM appropriati alle uscite OUTR, OUTG e OUTB, progettate per controllare i diodi rossi, verdi e blu sulla striscia. Grazie alla possibilità di affrontare la famiglia di circuiti WS28xx, è possibile impostare il colore e la luminosità del diodo RGB singolarmente, che amplia notevolmente il campo di applicazione. Ad esempio, nelle strisce che utilizzano questo sistema, ogni diodo può emettere un colore diverso e con un’intensità diversa, indipendentemente dagli altri diodi sulla striscia.
Vale la pena ricordare che sono disponibili anche soluzioni complete contenenti sia le strutture LED RGB che un driver indirizzabile integrato in un unico alloggiamento, che semplifica l’applicazione e riduce il cos finale. Tali diodi sono offerti sia in versione economica da Worldsemi, sia nella versione offerta da Liteon, con diodi embedded di alta qualità caratterizzati da elevata ripetibilità.
Quale striscia e quale controller scegliere?
Sono disponibili sul mercato diverse strisce LED RGB con driver integrati. Si tratta di strisce con diverse opzioni di potenza e numero di LED, che si traducono in diversi livelli di luminosità. Tali prodotti vanno da 30 a 144 LED per metro e hanno una potenza massima di 36W a 86,4 W (per 1 metro di striscia).
RGB ha condotto le strisce possono essere forniti con 5 V, 12 V o 24 V DC. La scelta di una striscia specifica deve essere dettata dalla tensione di alimentazione disponibile nel sistema specifico. Ad esempio, per un sistema a microcontrollore astrip fornito con 5V funzionerà perfettamente, e in un sistema industriale una striscia fornita con 24V sarà la scelta migliore. Inoltre, quando si sceglie la striscia LED per applicazioni industriali, vale la pena controllare la classe di protezione dell’ingresso del prodotto. Se si sceglie un modello con grado di protezione IP65, è possibile contare sull’affidabilità del sistema, poiché questa classe garantisce impermeabilità alla polvere e protezione dall’umidità.
RGB o RGBW-come scegliere un LED adatto?
Una striscia LED RGB standard utilizza tre LED (rosso, verde e blu). Può produrre una vasta gamma di colori, mescolando questi tre colori e dando una luce quasi bianca, ma anche quando tutti e tre i LED sono accesi alla massima luminosità, il colore finale è tutt’altro che perfetto. Pertanto, vengono applicate strisce LED RGB + W, che utilizzano quattro LED: LED RGB e un ulteriore diodo a emissione di luce bianca.
Sebbene i LED RGB stessi possano produrre un colore simile al bianco, il LED bianco dedicato nella struttura fornisce un tono bianco molto più puro e consente l’uso di un chip bianco caldo o freddo aggiuntivo. Inoltre, il chip bianco offre ulteriori possibilità di mescolare i colori con chip RGB, e in questo modo è possibile creare una gamma impressionante di sfumature uniche.