montaż i programowanie taśm LED RGB
diody elektroluminescencyjne (lub diody LED) coraz częściej zastępują standardowe źródła światła elektrycznego, takie jak żarówki, lampy halogenowe lub świetlówki. Przede wszystkim są one znacznie bardziej energooszczędne, ale mają również wiele innych zalet.
w tym artykule dowiesz się:
- co to jest LED,
- Jakie jest zastosowanie diod RGB,
- jak ustawić jasność diody,
- co to jest LED i taśma LED RGB,
- jak sterować paskami LED,
- który pasek i jaki kontroler wybrać,
- jak wybrać odpowiednią diodę LED.
Diody LED są często stosowane w systemach oświetleniowych wyposażonych w szeroką gamę białych diod. Jednak coraz częściej kolorowe diody LED są wykorzystywane do oświetlania wnętrz z przyciągającym wzrok efektem wizualnym. Najbardziej zaawansowanym rozwiązaniem tego typu są diody RGB, których kolor można płynnie kontrolować, ale także ustawić na niemal dowolny kolor w widmie widzialnym. Co warto o nich wiedzieć?
co to jest dioda LED?
diody elektroluminescencyjne (LED) są półprzewodnikowymi źródłami światła, które emitują światło, gdy przepływa przez nie Prąd. Elektrony w półprzewodniku rekombinują z otworami elektronowymi, uwalniając energię w postaci fotonów. Efekt ten nazywany jest elektroluminescencją.
barwa emitowanego światła odpowiada energii fotonów, która z kolei jest określana przez energię potrzebną elektronom do przekroczenia szczeliny pasmowej półprzewodnika. Szczelina pasma jest czasami nazywana szczeliną energetyczną i jest ważnym aspektem każdego półprzewodnika – więc kolor diody zależy od materiału użytego do jej budowy.
Diody LED pojawiły się na rynku jako dostępne na rynku komponenty elektroniczne w 1962 roku. Początkowo emitowały światło podczerwone o niskiej intensywności. Diody podczerwieni są stosowane głównie w obwodach zdalnego sterowania, np. w elektronice użytkowej. Pierwsze diody LED światła widzialnego były również o niskiej intensywności i ograniczone do koloru czerwonego. Zostały wyprodukowane z materiałów takich jak fosforek galu (GaP) i arsenek galu glinu (AlGaAs)
nowoczesne diody LED są dostępne w zakresie widzialnym, ultrafioletowym i podczerwonym, o wysokiej emisji, co oznacza, że generują dużo światła przy niskich kosztach energii. Te nowoczesne produkty są wykonane z różnych materiałów półprzewodnikowych, w zależności od pożądanej gamy kolorów. Diody czerwone są produkowane przy użyciu fosforku glinu galu indu (AlInGaP), co czyni je bardziej wydajnymi niż te wykonane z GaP lub AlGaAs. Natomiast składniki niebieskich i zielonych diod są wytwarzane głównie z azotku galu (Gan) i azotku indu galu (InGaN). Ilość indu określa kolor-im więcej indu, tym dłuższa długość fali (np. Zielona).
jakie jest zastosowanie diod RGB?
RGB to addytywny model kolorów, w którym czerwone, zielone i niebieskie (jak sugeruje skrócona nazwa) światła są łączone na różne sposoby, aby odtworzyć szeroką gamę kolorów.Głównym zastosowaniem modelu kolorów RGB jest wykrywanie, reprezentowanie i wyświetlanie obrazów w systemach elektronicznych, takich jak telewizory i komputery, ale znalazło również zastosowanie w fotografii analogowej. Obecnie jest jednak coraz częściej stosowany także w systemach oświetleniowych. Przed erą elektroniczną model kolorów RGB miał już solidną teorię opartą na ludzkim postrzeganiu kolorów.
mieszanie światła czerwonego, zielonego i niebieskiego ze źródeł LED w celu wytworzenia światła białego wymaga dedykowanych obwodów elektronicznych do sterowania mieszaniem kolorów, a ponieważ różne diody mają nieco odmienne wzorce emisji, balans kolorów może się zmienić, w zależności od kąta widzenia, nawet jeśli Źródła RGB są w jednym opakowaniu, więc diody RGB rzadko są używane do wytwarzania białego oświetlenia. Niemniej jednak metoda ta ma wiele zastosowań ze względu na elastyczność mieszania różnych kolorów i wysoką wydajność energetyczną.
wielokolorowe Diody LED oferują również nowy sposób tworzenia światła o różnych kolorach. Najbardziej dostrzegalne kolory można utworzyć przez zmieszanie różnych ilości trzech podstawowych kolorów: czerwonego, zielonego i niebieskiego. Pozwala to na precyzyjną i dynamiczną kontrolę nad wyświetlaniem kolorów. Ale problem z wykorzystaniem diod RGB do dokładnego wyświetlania kolorów w systemach oświetleniowych jest związany z faktem, że zmiana temperatury zmienia również lukę energetyczną półprzewodnika używanego jako komponent. W związku z tym w strukturze RGB zachodzi zmiana emisji barw poszczególnych diod (czerwonej, zielonej i niebieskiej). Nie jest to problem w przypadku diod małej mocy.
jak ustawić jasność diody – modulacja szerokości impulsu
jasność emisji diody elektroluminescencyjnej zależy od przepływającego przez nią prądu. Można to jednak kontrolować na wiele sposobów. Dwie najprostsze metody to użycie kontrolowanego źródła prądu lub modulatora PWM.
źródłem prądu jest obwód elektroniczny, który dostarcza lub absorbuje prąd elektryczny, który jest niezależny od jego napięcia. Istnieją dwa rodzaje źródeł prądu: niezależne źródło prądu dostarcza stały prąd, podczas gdy zależne źródło prądu dostarcza prąd, który jest proporcjonalny do jakiegoś innego napięcia lub prądu obwodu. Dlatego do sterowania diodami LED potrzebne jest źródło zależne. Większość rzeczywistych źródeł prądu jest wykonana z wykorzystaniem elementów o kontrolowanej rezystancji (np. tranzystor MOSFET). Jest on sterowany w taki sposób, że spadek napięcia na tym elemencie wymusza również przepływ żądanego prądu przez obciążenie.
wadą rozwiązania z elementem stratnym wymuszającym przepływ jest jego niska sprawność energetyczna. Spadek napięcia na elemencie sterującym może być dość znaczący, szczególnie w przypadku niskich prądów. Dodatkowo ten sposób sterowania, ponieważ wymaga wejścia analogowego – np. napięcia sterującego-jest trudny do zrealizowania w systemie cyfrowym i wymaga implementacji dodatkowych elementów, takich jak przetwornik cyfrowo-analogowy.
PWM, czyli modulacja szerokości impulsu, to metoda redukcji średniej mocy dostarczanej przez sygnał elektryczny poprzez skuteczne cięcie sygnału na oddzielne części, gdy jest on włączony i wyłączony (bez żadnych stanów przejściowych-jak w prostokątnym przebiegu). Średnia wartość napięcia (i prądu) przyłożonego na obciążenie jest kontrolowana przez szybkie włączanie i wyłączanie określonego typu klucza między zasilaczem a obciążeniem. Im dłużej klucz jest włączony w porównaniu do okresów wyłączenia, tym większa jest całkowita moc dostarczana do obciążenia.
modulacja PWM jest szczególnie odpowiednia dla stosunkowo obojętnych obciążeń, takich jak silniki, na które nie tak łatwo wpływa przełączanie dyskretne. Reagują wolniej z powodu bezwładności. Częstotliwość przełączania PWM musi być wystarczająco wysoka, aby nie wpływać na obciążenie. W przypadku diod RGB to nie sam odbiornik-Dioda elektroluminescencyjna-jest obojętny, ale oko ludzkie, które nie dostrzega mrugania, ponieważ uśrednia natężenie światła.
prędkość (lub częstotliwość), z jaką klucz musi przełączać obciążenie, może się znacznie różnić w zależności od obciążenia i zastosowania systemu. W przypadku diod LED optymalna częstotliwość zależy również od konkretnego zastosowania. Górna granica częstotliwości to prędkość przełączania diody LED. Czas przełączania typowej diody LED wynosi od kilkuset do kilku tysięcy nanosekund, co przekłada się na przełączanie częstotliwości od kilkuset kiloherców do kilku megaherców. Z drugiej strony, minimalna częstotliwość przełączania jest określona przez inercję ludzkiego oka. W przypadku poruszającego się obiektu minimalna częstotliwość przełączania klawisza sterującego LED wynosi 200 Hz.
główną zaletą stosowania modulacji PWM jest to, że straty mocy w urządzeniach przełączających są bardzo niskie. Przy wyłączonym wyłączniku prąd praktycznie nie płynie, a przy włączonym kluczyku spadek napięcia na kluczyku jest marginalny. Straty mocy, będące wynikiem spadku napięcia i przepływu prądu, są więc w obu przypadkach niewielkie. Dodatkowo PWM bardzo dobrze współpracuje ze sterownikami cyfrowymi, które ze względu na swoją naturę – zero-one control – łatwo sterują kluczem.
co to jest taśma LED i RGB LED ze zintegrowanym sterownikiem
taśma LED to elastyczna płytka drukowana, na której lutowane są diody elektroluminescencyjne (SMD) i inne elementy potrzebne do działania diod. Zwykle jest wyposażony w samoprzylepny podkład.
taśmy LED były stosowane w przeszłości tylko w oświetleniu akcentującym, podświetlaniu, oświetleniu zadaniowym i oświetleniu dekoracyjnym. Dzięki zwiększonej wydajności Diod Led i dostępności mocniejszych produktów, taśmy LED są obecnie wykorzystywane jako oświetlenie o wysokiej jasności, które skutecznie zastępuje oprawy świetlówkowe lub halogenowe.
popularne taśmy LED dostępne są również w wersji z wielokolorowymi diodami LED: RGB, RGBW. Ten ostatni ma dodatkową, białą diodę, która emituje dobrej jakości białe światło – więcej o tym dowiecie się w dalszej części tego artykułu. Sterowanie nimi za pomocą zewnętrznych sterowników byłoby skomplikowane ze względu na dużą liczbę przewodów potrzebnych do sterowania dłuższym paskiem. Dlatego do tego typu pasków często stosuje się zintegrowane sterowniki.
jak sterować paskami LED
Większość taśm LED RGB jest zbudowana przy użyciu klasycznych diod LED RGB z czterema przewodami-wspólną anodą lub katodą i pojedynczym przewodem dla każdego koloru. Kabli nie można podłączyć bezpośrednio do zasilacza, ponieważ Sterownik jest niezbędny do łatwej zmiany koloru. Chociaż takie rozwiązanie pozwala nam na kontrolę koloru, Użytkownik powinien pamiętać, że cały pasek emituje ten sam kolor, co może być ograniczeniem w zakresie jego zastosowania. Rozwiązanie, w którym oprócz diod RBG, na listwie oprócz diod LED, stosowane są zintegrowane sterowniki, takie jak rodzina chipów Worldsemi WS28xx, stało się ostatnio popularne.
warto również wspomnieć, że Klasyczne paski LED RGB są sterowane inaczej niż te ze sterownikami. Wynika to głównie z faktu, że w przypadku zintegrowanych driverów zmienia się struktura – do sterowania służy tylko jedna linia (dane), a nie trzy osobne linie dla każdego koloru. Tutaj można zastosować np. rozwiązania sterowania oparte na Arduino.
paski z obwodami z tej grupy są zwykle nazywane programowalnymi lub inteligentnymi, podczas gdy sam sterownik ma postać układu scalonego, przeznaczonego do sterowania diodami LED. Zawiera wewnętrzny inteligentny cyfrowy zatrzask danych dla portu wejściowego, własny indywidualny adres, a także obwód sterownika mocy. Posiada również precyzyjny wewnętrzny oscylator i regulator napięcia 12V Dla diod LED. W celu zmniejszenia tętnienia w systemie, poszczególne kanały PWM są sterowane przesunięciem fazowym. System ten wykorzystuje tryb komunikacji NZR.
w systemie NZR Rodzina systemów WS28xx jest połączona szeregowo. Pin DIN jest wejściem danych, a DO jest wyjściem. Dane są dostarczane do pinu DIN pierwszego Sterownika w łańcuchu. Jego DO jest dołączony do DIN następnego itp. Po ponownym uruchomieniu układu, linia DIN otrzymuje dane ze sterownika. Pierwszy układ zbiera pierwsze 24 bity danych (trzy razy 8 bitów dla trzech kolorów), a następnie wysyła je do wewnętrznego zatrzasku danych. Pozostałe dane są wysyłane dalej przez wyjście DO.
dane wyjściowe DO są buforowane przez wbudowane obwody cyfrowe, więc następny sterownik otrzymuje wysokiej jakości Kształt fali. Zwiększa to zasięg układu, ponieważ jedynymi ograniczeniami długości paska są Maksymalna odległość między sterownikami i liczba dostępnych adresów.
gdy sterownik zatrzasnął DANE, system generuje odpowiednie sygnały sterujące PWM na wyjściach OUTR, OUTG i OUTB, przeznaczone do sterowania diodami czerwonymi, zielonymi i niebieskimi na pasku. Dzięki możliwości adresowania układów z rodziny WS28xx, możliwe jest indywidualne ustawienie koloru i jasności diody RGB, co znacznie rozszerza zakres zastosowania. Na przykład w paskach wykorzystujących ten system każda DIODA może emitować inny kolor i o różnej intensywności, niezależnie od pozostałych diod na pasku.
warto wspomnieć, że dostępne są również kompleksowe rozwiązania zawierające zarówno struktury LED RGB, jak i zintegrowany sterownik adresowalny w jednej obudowie, co upraszcza aplikację i redukuje końcowe cos. Takie Diody oferowane są zarówno w wersji budżetowej firmy Worldsemi, jak i w wersji oferowanej przez Liteon, z najwyższej jakości wbudowanymi diodami charakteryzującymi się wysoką powtarzalnością.
jaki pasek i jaki kontroler wybrać?
na rynku dostępnych jest wiele różnych pasków LED RGB ze zintegrowanymi sterownikami. Są to paski z różnymi opcjami mocy i liczby diod LED, co przekłada się na różne poziomy jasności. Takie produkty wahają się od 30 do 144 Diod Led na metr i mają maksymalną moc wyjściową od 36W do 86,4 W (na 1 metr taśmy).
taśmy LED RGB mogą być dostarczane z napięciem 5V, 12V lub 24V DC. Wybór konkretnego paska musi być podyktowany napięciem zasilania dostępnym w danym systemie. Na przykład dla systemu mikrokontrolerów astrip zasilany z 5V będzie działał idealnie, a w systemie przemysłowym najlepszym wyborem będzie listwa zasilana z 24V. Ponadto przy wyborze taśmy LED do zastosowań przemysłowych warto sprawdzić klasę szczelności produktu. Wybierając model o stopniu ochrony IP65 możesz liczyć na niezawodność systemu, ponieważ ta klasa gwarantuje pyłoszczelność i ochronę przed wilgocią.
RGB lub RGBW – jak wybrać odpowiednią diodę LED?
standardowa taśma LED RGB wykorzystuje trzy diody LED (czerwoną, zieloną i niebieską). Może wytwarzać szeroką gamę kolorów, mieszając te trzy kolory i dając prawie białe światło, ale nawet gdy wszystkie trzy diody LED są oświetlone do maksymalnej jasności, ostateczny kolor jest daleki od ideału. Dlatego stosowane są taśmy LED RGB + W, które wykorzystują cztery diody LED: DIODA LED RGB i dodatkowa biała dioda emitująca światło.
chociaż same Diody RGB mogą wytwarzać kolor podobny do białego, dedykowana Biała DIODA LED w strukturze zapewnia znacznie czystszy odcień bieli i pozwala na użycie dodatkowego ciepłego lub zimnego białego Chipa. Ponadto biały chip zapewnia dodatkowe możliwości mieszania kolorów z chipami RGB, dzięki czemu można stworzyć imponującą gamę unikalnych odcieni.