Installation och programmering av RGB LED strips
ljusdioder (eller lysdioder) ersätter allt oftare standardkällor för elektriskt ljus, såsom glödlampor, halogenlampor eller lysrör. Först och främst är de mycket mer energieffektiva, men de har också många andra fördelar.
i den här artikeln lär du dig:
- vad är en LED,
- vad är tillämpningen av RGB-dioder,
- hur man ställer in diodens ljusstyrka,
- vad är en LED-och RGB-LED-remsa,
- hur man styr LED-remsor,
- vilken remsa och vilken kontroller som ska väljas,
- hur man väljer en lämplig LED.
lysdioder används ofta i belysningssystem utrustade med ett brett utbud av vita dioder. Men allt oftare används Färgdioder för att belysa interiörer med en iögonfallande visuell effekt. Den mest avancerade lösningen av denna typ är RGB-dioder, vars färg kan styras smidigt, men också ställas in på nästan vilken färg som helst i det synliga spektrumet. Vad är mer att veta om dessa?
vad är en LED?
lysdioder (lysdioder) är halvledarljuskällor som avger ljus när strömmen flyter genom dem. Elektroner i halvledaren rekombineras med elektronhål för att frigöra energi i form av fotoner. Denna effekt kallas elektroluminescens.
färgen på det utsända ljuset motsvarar fotonernas energi, vilket i sin tur bestäms av den energi som krävs för att elektronerna ska korsa halvledarens bandgap. Bandgapet kallas ibland energigap och är en viktig aspekt av varje halvledare – så diodens färg beror på materialet som används för dess konstruktion.
lysdioder dök upp på marknaden som kommersiellt tillgängliga elektroniska komponenter 1962. Ursprungligen emitterade de lågintensivt infrarött ljus. Infraröda lysdioder används främst i fjärrkontrollkretsar, t. ex. inom konsumentelektronik. De första lysdioderna med synligt ljus var också av låg intensitet och begränsade till den röda färgen. De tillverkades av material som galliumfosfid (GaP) och aluminium galliumarsenid (AlGaAs)
moderna lysdioder finns tillgängliga över de synliga, ultravioletta och infraröda våglängderna, med hög emission, vilket innebär att de genererar mycket ljus för en låg energikostnad. Dessa moderna produkter är gjorda av en mängd halvledande material, beroende på önskat färgområde. Röda dioder tillverkas med aluminium gallium indiumfosfid (AlInGaP), vilket gör dem mer effektiva än de som är gjorda av GaP eller alger. Komponenterna i blå och gröna dioder tillverkas å andra sidan huvudsakligen av galliumnitrid (GaN) och indium galliumnitrid (InGaN). Mängden indium bestämmer färgen – ju mer indium, desto längre våglängd (t. ex. grön).
vad är tillämpningen av RGB-dioder?
RGB är en additiv färgmodell där rött, grönt och blått (som det förkortade namnet antyder) lampor kombineras på olika sätt för att återge ett brett spektrum av färger.RGB-färgmodellens huvudsakliga tillämpning är att upptäcka, representera och visa bilder i elektroniska system som TV-apparater och datorer, men den har också använts i analog fotografering. Numera används det emellertid också alltmer i belysningssystem. Före den elektroniska tidsåldern hade RGB-färgmodellen redan en solid teori baserad på den mänskliga uppfattningen av färger.
att blanda rött, grönt och blått ljus från LED-källor för att producera vitt ljus kräver dedikerade elektroniska kretsar för att styra blandningen av färgerna och eftersom olika dioder har något olika emissionsmönster kan färgbalansen förändras beroende på synvinkeln, även om RGB-källorna finns i ett enda paket, så RGB-dioder används sällan för att producera vit belysning. Ändå har denna metod många tillämpningar på grund av flexibiliteten att blanda olika färger och hög energieffektivitet.
flerfärgade lysdioder erbjuder också ett nytt sätt att skapa ljus i olika färger. De flesta uppfattbara färger kan bildas genom att blanda olika mängder av de tre primära färgerna: röd, grön och blå. Detta möjliggör exakt och dynamisk kontroll över visning av färger. Men problemet med att använda RGB-lysdioder för exakt färgdisplay i belysningssystem är relaterat till det faktum att en temperaturförändring också förändrar energiklyftan hos halvledaren som används som en komponent. Följaktligen sker en förändring i färgemission av enskilda dioder (röd, grön och blå) i RGB-strukturen. Detta är inte ett problem vid dioder med låg effekt.
hur man ställer in diodens ljusstyrka-pulsbreddsmodulering
ljusstyrkan för elektroluminescerande diodutsläpp är beroende av strömmen som strömmar genom den. Detta, i alla fall, kan kontrolleras på en mängd olika sätt. De två enklaste metoderna är att använda en kontrollerad strömkälla eller en PWM-modulator.
en strömkälla är en elektronisk krets som levererar eller absorberar elektrisk ström som är oberoende av dess spänning. Det finns två typer av strömkällor: en oberoende strömkälla levererar konstant ström, medan en beroende strömkälla levererar ström som är proportionell mot någon annan spänning eller kretsströmmen. För att styra lysdioder behövs därför en beroende källa. De flesta av de faktiska strömkällorna är gjorda med hjälp av element med kontrollerat motstånd (t.ex. en MOSFET-transistor). Den styrs på ett sådant sätt att spänningsfallet på det elementet också tvingar flödet av den önskade strömmen genom belastningen.
nackdelen med lösningen med det förstörande elementet som tvingar flödet är dess låga energieffektivitet. Spänningsfallet vid styrelementet kan vara ganska signifikant, speciellt för låga strömmar. Dessutom är detta sätt att styra, eftersom det behöver en analog ingång – t.ex. styrspänning – svårt att implementera i ett digitalt system och kräver implementering av ytterligare element som en digital-till-analog-omvandlare.
PWM, eller pulsbreddsmodulering, är en metod för att minska den genomsnittliga effekten som levereras av en elektrisk signal genom att effektivt skära signalen i separata delar när den slås på och av (utan övergångstillstånd – som i en rektangulär vågform). Medelvärdet för spänningen (och strömmen) som appliceras på lasten styrs genom att snabbt slå på och stänga av en viss typ av nyckel mellan strömförsörjningen och lasten. Ju längre nyckeln är påslagen jämfört med avstängningsperioder, desto större är den totala effekten som levereras till lasten.
PWM-modulering är särskilt lämplig för relativt inerta belastningar, såsom motorer som inte påverkas så lätt av diskret omkoppling. De reagerar långsammare på grund av tröghet. PWM-omkopplingsfrekvensen måste vara tillräckligt hög för att inte påverka belastningen. När det gäller RGB-lysdioder är det inte mottagaren själv – den ljusemitterande dioden-som är inert, utan det mänskliga ögat, som inte uppfattar blinkningen, eftersom det är medelvärdet av ljusintensiteten.
hastigheten (eller frekvensen) vid vilken nyckeln måste växla lasten kan variera avsevärt beroende på belastning och tillämpning av systemet. När det gäller lysdioder beror den optimala frekvensen också på den specifika applikationen. Den övre frekvensgränsen är LED-omkopplingshastigheten. Omkopplingstiden för en typisk LED är mellan flera hundra och flera tusen nanosekunder, vilket översätter till växlingsfrekvenser från flera hundra kilohertz till flera megahertz. Å andra sidan definieras minsta omkopplingsfrekvens av trögheten i det mänskliga ögat. Med ett rörligt objekt används 200 Hz som minsta omkopplingsfrekvens för LED-kontrollknappen.
den största fördelen med att använda PWM-modulering är att effektförlusterna i omkopplingsanordningarna är mycket låga. När strömbrytaren är avstängd strömmar strömmen praktiskt taget inte, och när nyckeln är påslagen är spänningsfallet på nyckeln marginellt. Effektförluster, som är produkten av spänningsfall och strömflöde, är därför små i båda fallen. Dessutom fungerar PWM mycket bra med digitala kontroller, som på grund av sin natur – zero-one – kontroll-enkelt styr nyckeln.
Vad är en LED – och RGB LED-remsa med integrerad drivrutin
LED-remsa är ett flexibelt kretskort på vilket ytmonterade ljusemitterande dioder (Smd) och andra komponenter som behövs för driften av dioderna är lödda. Den är vanligtvis utrustad med en självhäftande baksida.
LED-remsor användes tidigare endast i accentbelysning, bakgrundsbelysning, arbetsbelysning och dekorativ belysning. Tack vare den ökade effektiviteten hos lysdioder och tillgången på kraftfullare produkter används LED-remsor nu som belysning med hög ljusstyrka som effektivt ersätter armaturer med lysrör eller halogenlampor.
populära LED-remsor finns också i en version med flerfärgade lysdioder: RGB, RGBW. Den senare har en extra vit diod som avger vitt ljus av god kvalitet – du lär dig mer om det senare i den här artikeln. Att styra dem med hjälp av externa drivrutiner skulle vara komplicerat på grund av det stora antalet ledningar som behövs för att styra den längre remsan. Därför används integrerade drivrutiner ofta för denna typ av remsor.
hur man kontrollerar LED-remsor
de flesta RGB LED – remsor är konstruerade med klassiska RGB-lysdioder med fyra ledningar-en vanlig anod eller katod och en enda ledning för var och en av färgerna. Kablar kan inte anslutas direkt till strömförsörjningen, eftersom en drivrutin är nödvändig för en enkel färgbyte. Även om en sådan lösning tillåter oss att styra färgen, bör användaren komma ihåg att hela remsan avger samma färg, vilket kan vara en begränsning när det gäller dess användning. En lösning där integrerade drivrutiner, som Worldsemi WS28xx-familjen av chips, används på remsan utöver RBG-lysdioder har blivit populära nyligen.
det är också värt att nämna att klassiska RGB LED-remsor styrs annorlunda än de med drivrutiner. Detta beror främst på det faktum att när det gäller integrerade drivrutiner ändras strukturen – endast en rad (DATA) används för att styra, och inte tre separata linjer för varje färg. Du kan använda t.ex. kontrolllösningar baserade på Arduino här.
remsor med kretsar från denna grupp kallas vanligtvis programmerbara eller smarta, medan föraren själv har formen av en integrerad krets, utformad för att styra lysdioder. Den innehåller en intern intelligent digital dataspärr för ingångsporten, sin egen individuella adress samt en strömkontrollkrets. Den har också en exakt intern oscillator och en 12V spänningsregulator för lysdioder. För att minska rippeln i systemet styrs enskilda PWM-kanaler med en fasförskjutning. Detta system använder NZR-kommunikationsläget.
i NZR-systemet är ws28xx-familjen av system anslutna i serie. DIN-stiftet är datainmatningen och DO är utgången. Data levereras till DIN-stiftet på den första föraren i kedjan. Dess DO är fäst vid DIN av nästa etc. Efter omstart av chipet tar DIN-linjen emot data från styrenheten. Det första chipet samlar in de första 24 bitarna av data (tre gånger 8 bitar för tre färger) och skickar dem sedan till den interna dataspärren. Återstående data skickas vidare av DO-utgången.
DO-utgångsdata buffras av inbyggda digitala kretsar, så nästa drivrutin får en högkvalitativ vågform. Detta ökar chipets intervall, eftersom de enda gränserna för Bandlängd är det maximala avståndet mellan förare och antalet tillgängliga adresser.
när föraren låser data genererar systemet lämpliga PWM-styrsignaler vid OUTR -, OUTG-och OUTB-utgångarna, utformade för att styra de röda, gröna och blå dioderna på remsan. Tack vare möjligheten att ta itu med ws28xx-kretsfamiljen är det möjligt att ställa in färg och ljusstyrka på RGB-dioden individuellt, vilket kraftigt utökar tillämpningsområdet. Till exempel i remsor som använder detta system kan varje diod avge en annan färg och med en annan intensitet, oavsett de andra dioderna på remsan.
det är värt att nämna att det också finns omfattande lösningar som innehåller både RGB LED-strukturer och en integrerad adresserbar drivrutin i ett hus, vilket förenklar applikationen och minskar den slutliga cos. Sådana dioder erbjuds både i en budgetversion av Worldsemi och i den version som erbjuds av Liteon, med inbyggda dioder av högsta kvalitet som kännetecknas av hög repeterbarhet.
vilken remsa och vilken kontroller ska du välja?
många olika RGB LED-remsor med integrerade drivrutiner finns tillgängliga på marknaden. Dessa är remsor med olika ström-och LED-nummeralternativ, vilket översätts till olika ljusstyrkenivåer. Sådana produkter sträcker sig från 30 till 144 lysdioder per meter och har en maximal effekt på 36W till 86,4 W (per 1 meter remsa).
RGB LED-remsor kan levereras med 5V, 12V eller 24V DC. Valet av en specifik remsa måste dikteras av den matningsspänning som finns i det specifika systemet. Till exempel, för ett mikrokontroller system astrip som levereras med 5V fungerar perfekt, och i ett industriellt system är en remsa som levereras med 24V det bästa valet. Vid val av LED-remsa för industriella applikationer är det dessutom värt att kontrollera produktens ingressskyddsklass. Om du väljer en IP65-klassad modell kan du räkna med systemets tillförlitlighet, eftersom den här klassen garanterar dammtäthet och skydd mot fukt.
RGB eller RGBW – hur man väljer en lämplig LED?
en standard RGB LED-remsa använder tre lysdioder (röd, grön och blå). Det kan producera ett brett utbud av färger, blanda dessa tre färger och ge ett nästan vitt ljus, men även när alla tre lysdioderna tänds till maximal ljusstyrka är den slutliga färgen långt ifrån perfekt. Därför appliceras RGB + W LED-remsor som använder fyra lysdioder: RGB LED och en extra vit lysdiod.
även om RGB-lysdioder själva kan producera en färg som liknar vit, ger den dedikerade vita lysdioden i strukturen en mycket renare vit ton och tillåter användning av ett extra varmt eller kallt vitt chip. Dessutom ger white chip ytterligare möjligheter att blanda färger med RGB-chips, och på detta sätt kan du skapa ett imponerande utbud av unika nyanser.