instalace a programování RGB LED pásků
světelné diody (nebo led) stále častěji nahrazují standardní zdroje elektrického světla, jako jsou žárovky, halogenové žárovky nebo zářivky. Za prvé, jsou mnohem energeticky účinnější, ale mají také mnoho dalších výhod.
v tomto článku se dozvíte:
- co je LED,
- co je použití RGB diod,
- jak nastavit jas diody,
- co je led a RGB LED pásek,
- jak ovládat LED pásky,
- který pás a který ovladač zvolit,
- jak vybrat vhodnou LED.
LED diody se často používají v osvětlovacích systémech vybavených širokou škálou bílých diod. Stále častěji se však barevné LED diody používají k osvětlení interiérů s poutavým vizuálním efektem. Nejpokročilejším řešením tohoto typu jsou RGB diody, jejichž barvu lze plynule ovládat, ale také nastavit na téměř jakoukoli barvu ve viditelném spektru. Co je o nich víc vědět?
co je LED?
světelné diody (LED) jsou polovodičové světelné zdroje, které vyzařují světlo, když jimi protéká proud. Elektrony v polovodiči se rekombinují s elektronovými otvory a uvolňují energii ve formě fotonů. Tento efekt se nazývá elektroluminiscence.
barva vyzařovaného světla odpovídá energii fotonů, která je zase určena energií potřebnou pro to, aby elektrony procházely pásmovou mezerou polovodiče. Pásová mezera se někdy nazývá energetická mezera a je důležitým aspektem každého polovodiče – barva diody tedy závisí na materiálu použitém pro její konstrukci.
LED diody se objevily na trhu jako komerčně dostupné elektronické součástky v roce 1962. Zpočátku vyzařovaly infračervené světlo s nízkou intenzitou. Infračervené LED diody se používají především v obvodech dálkového ovládání, např. ve spotřební elektronice. První LED diody s viditelným světlem měly také nízkou intenzitu a omezily se na červenou barvu. Byly vyrobeny z materiálů, jako je fosfid Gallia (GaP) a arsenid hlinitý (AlGaAs)
moderní LED diody jsou k dispozici napříč viditelnými, ultrafialovými a infračervenými vlnovými délkami s vysokým emisním výkonem, což znamená, že generují hodně světla za nízkou cenu energie. Tyto moderní výrobky jsou vyrobeny z různých polovodivých materiálů, v závislosti na požadované barevné škále. Červené diody jsou vyráběny za použití fosfidu hlinitého Galia India (AlInGaP), což je činí účinnějšími než diody vyrobené z GaP nebo AlGaAs. Složky modré a zelené diody jsou na druhé straně vyráběny hlavně z nitridu Gallia (GaN) a nitridu India Gallia (InGaN). Množství India určuje barvu-čím více India, tím delší je vlnová délka (např. zelená).
jaká je aplikace RGB diod?
RGB je aditivní barevný model, ve kterém jsou červená, zelená a modrá (jak naznačuje zkrácený název) světla kombinována různými způsoby, aby reprodukovala širokou škálu barev.Hlavní aplikací barevného modelu RGB je detekce, reprezentace a zobrazení obrazu v elektronických systémech, jako jsou televizory a počítače, ale také se používá v analogové fotografii. V dnešní době se však stále více používá v osvětlovacích systémech. Před elektronickým věkem měl barevný model RGB již solidní teorii založenou na lidském vnímání barev.
míchání červeného, zeleného a modrého světla z LED zdrojů k produkci bílého světla vyžaduje vyhrazené elektronické obvody pro řízení míchání barev a, protože různé diody mají mírně odlišné emisní vzorce,vyvážení barev se může měnit v závislosti na úhlu pohledu, i když jsou zdroje RGB V jednom balení, takže RGB diody se zřídka používají k výrobě bílého osvětlení. Nicméně, tato metoda má mnoho aplikací kvůli flexibilitě míchání různých barev a vysoké energetické účinnosti.
vícebarevné LED diody také nabízejí nový způsob vytváření světla různých barev. Nejvíce vnímatelné barvy lze vytvořit smícháním různých množství tří základních barev: červené, zelené a modré. To umožňuje přesné a dynamické ovládání zobrazení barev. Problém s použitím RGB LED pro přesné barevné zobrazení v osvětlovacích systémech však souvisí se skutečností, že změna teploty také mění energetickou mezeru polovodiče použitého jako součást. V důsledku toho dochází ke změně barevné emise jednotlivých diod (červená, zelená a Modrá) ve struktuře RGB. To není problém v případě diod s nízkým výkonem.
jak nastavit modulaci jasu-pulzní šířky diody
jas emise elektroluminiscenční diody závisí na proudu, který jím protéká. To však lze ovládat různými způsoby. Dvě nejjednodušší metody jsou použití řízeného zdroje proudu nebo modulátoru PWM.
zdroj proudu je elektronický obvod, který dodává nebo absorbuje elektrický proud, který je nezávislý na jeho napětí. Existují dva typy zdrojů proudu: nezávislý zdroj proudu dodává konstantní proud, zatímco závislý zdroj proudu dodává proud, který je úměrný jinému napětí nebo proudu obvodu. Proto, aby bylo možné ovládat LED diody, je zapotřebí závislý zdroj. Většina aktuálních proudových zdrojů se vyrábí pomocí prvků s řízeným odporem (např. tranzistor MOSFET). Je řízena tak, že pokles napětí na tomto prvku také nutí tok požadovaného proudu zátěží.
nevýhodou řešení se ztrátovým prvkem, který nutí tok, je jeho nízká energetická účinnost. Pokles napětí na řídicím prvku může být poměrně významný, zejména u nízkých proudů. Kromě toho je tento způsob řízení, protože potřebuje analogový vstup – např. řídicí napětí – obtížně implementovatelný v digitálním systému a vyžaduje implementaci dalších prvků,jako je převodník z digitálního na analogový.
PWM nebo pulzně šířková modulace je metoda snižování průměrného výkonu dodávaného elektrickým signálem účinným rozřezáním signálu na samostatné části, když je zapínán a vypínán(bez přechodových stavů-jako v obdélníkovém tvaru vlny). Průměrná hodnota napětí (a proudu) aplikovaného na zátěž je řízena rychlým zapínáním a vypínáním konkrétního typu klíče mezi napájecím zdrojem a zátěží. Čím delší je klíč zapnutý ve srovnání s obdobími vypnutí, tím větší je celkový výkon dodávaný do zátěže.
PWM modulace je zvláště vhodná pro relativně inertní zatížení, jako jsou motory, které nejsou tak snadno ovlivněny diskrétním spínáním. Reagují pomaleji kvůli setrvačnosti. Spínací frekvence PWM musí být dostatečně vysoká, aby neovlivnila zátěž. V případě RGB LED není inertní samotný přijímač – světelná dioda–, ale lidské oko, které nevnímá blikání, protože průměruje intenzitu světla.
rychlost (nebo frekvence), při které musí klíč přepínat zátěž, se může značně lišit v závislosti na zatížení a použití systému. V případě LED diod závisí optimální frekvence také na konkrétní aplikaci. Horní mez frekvence je spínací rychlost LED. Doba přepínání typické LED je mezi několika stovkami a několika tisíci nanosekundami, což se promítá do spínacích frekvencí z několika set kilohertzů na několik megahertzů. Na druhé straně je minimální Spínací frekvence definována setrvačností lidského oka. U pohybujícího se objektu se jako minimální Spínací frekvence pro ovládací klávesu LED používá 200 Hz.
hlavní výhodou použití modulace PWM je to, že ztráty energie ve spínacích zařízeních jsou velmi nízké. Když je spínač vypnutý, proud prakticky neteče a když je klíč zapnutý, pokles napětí na klíči je okrajový. Ztráty výkonu, které jsou výsledkem úbytku napětí a proudu, jsou proto v obou případech malé. Navíc PWM pracuje velmi dobře s digitálními ovládacími prvky,které díky své povaze-zero-one control-snadno ovládají klíč.
co je led a RGB LED pásek s integrovaným ovladačem
LED pásek je flexibilní deska s plošnými spoji, na které jsou připájeny povrchové světelné diody (SMDs) a další komponenty potřebné pro provoz diod. Obvykle je vybaven lepicí podložkou.
LED pásky byly v minulosti používány pouze v akcentním osvětlení, podsvícení, osvětlení úkolů a dekorativním osvětlení. Díky zvýšené účinnosti led a dostupnosti výkonnějších produktů se LED pásky nyní používají jako osvětlení s vysokým jasem, které účinně nahrazuje svítidla fluorescenčními nebo halogenovými žárovkami.
populární LED pásky jsou k dispozici také ve verzi s vícebarevnými LED diodami: RGB, RGBW. Ten má další bílou diodu, která vydává kvalitní bílé světlo – více se o tom dozvíte později v tomto článku. Jejich ovládání pomocí externích ovladačů by bylo komplikované kvůli velkému počtu vodičů potřebných k ovládání delšího pásu. Proto se pro tento typ proužků často používají integrované ovladače.
jak ovládat LED pásky
většina RGB LED pásů je konstruována pomocí klasických RGB LED se čtyřmi vodiči-společnou anodou nebo katodou a jedním vodičem pro každou z barev. Kabely nelze připojit přímo k napájení, protože pro snadnou změnu barvy je nutný ovladač. I když nám takové řešení umožňuje ovládat barvu, uživatel by si měl uvědomit, že celý proužek vyzařuje stejnou barvu, což může být omezením z hlediska jeho použití. Řešení, ve kterém se na pásu kromě LED RBG používají integrované ovladače, jako je řada čipů Worldsemi WS28xx, se v poslední době stalo populárním.
za zmínku také stojí, že klasické RGB LED pásky jsou ovládány jinak než ty s ovladači. Důvodem je především skutečnost, že v případě integrovaných ovladačů se struktura mění – pro ovládání se používá pouze jeden řádek (DATA) a ne tři samostatné řádky pro každou barvu. Zde můžete použít např. řídicí řešení založená na Arduinu.
pásy s obvody z této skupiny se obvykle nazývají Programovatelné nebo inteligentní, zatímco samotný ovladač má formu integrovaného obvodu určeného k ovládání LED. Obsahuje interní inteligentní digitální datovou západku pro vstupní port, vlastní individuální adresu a obvod regulátoru výkonu. Má také přesný vnitřní oscilátor a regulátor napětí 12V pro LED diody. Za účelem snížení zvlnění v systému jsou jednotlivé kanály PWM řízeny fázovým posunem. Tento systém používá komunikační režim NZR.
v systému NZR jsou řady systémů WS28xx zapojeny do série. Din pin je vstup dat a DO je výstup. Data jsou dodávána na DIN kolík prvního ovladače v řetězci. Jeho DO je připojen k DIN dalšího atd. Po restartování čipu přijímá din linka data z řadiče. První čip shromažďuje prvních 24 bitů dat (třikrát 8 bitů pro tři barvy) a poté je odešle do interní datové západky. Zbývající data jsou dále odesílána výstupem DO.
výstupní data DO jsou ukládána do vyrovnávací paměti vestavěnými digitálními obvody, takže další ovladač obdrží vysoce kvalitní průběh. Tím se zvyšuje rozsah čipu, protože jediným omezením délky pásu je maximální vzdálenost mezi ovladači a počet dostupných adres.
když ovladač zaskočí data, systém generuje příslušné řídicí signály PWM na výstupech OUTR, OUTG a OUTB, které jsou určeny k ovládání červené, zelené a modré diody na proužku. Díky možnosti oslovení rodiny obvodů WS28xx je možné individuálně nastavit barvu a jas RGB diody, což značně rozšiřuje rozsah použití. Například v pásech používajících tento systém může každá dioda emitovat jinou barvu a jinou intenzitu, bez ohledu na ostatní diody na proužku.
za zmínku stojí, že jsou k dispozici také komplexní řešení obsahující jak RGB LED struktury, tak integrovaný adresovatelný ovladač V jednom pouzdře, což zjednodušuje aplikaci a snižuje konečné cos. Tyto diody jsou nabízeny jak v rozpočtové verzi Worldsemi, tak ve verzi nabízené Liteonem, s vysoce kvalitními vloženými diodami, které se vyznačují vysokou opakovatelností.
který pás a který ovladač zvolit?
na trhu je k dispozici mnoho různých RGB LED pásů s integrovanými ovladači. Jedná se o proužky s různými možnostmi napájení a čísla LED, které se promítají do různých úrovní jasu. Tyto výrobky se pohybují od 30 do 144 led na metr a mají maximální výkon 36W až 86,4 W (na 1 metr pásu).
RGB LED pásky mohou být dodávány s 5V, 12V nebo 24V DC. Výběr konkrétního pásu musí být diktován napájecím napětím dostupným v konkrétním systému. Například pro mikrokontrolérový systém astrip dodávaný s 5V bude fungovat perfektně a v průmyslovém systému bude nejlepší volbou pás dodávaný s 24V. Kromě toho při výběru LED pásky pro průmyslové aplikace stojí za to zkontrolovat třídu ochrany proti vniknutí výrobku. Pokud zvolíte model s hodnocením IP65, můžete se spolehnout na spolehlivost systému, protože tato třída zaručuje prachotěsnost a ochranu proti vlhkosti.
RGB nebo RGBW-jak vybrat vhodnou LED?
standardní RGB LED pásek používá tři LED diody (červená, zelená a modrá). Může produkovat širokou škálu barev, míchat tyto tři barvy a dávat téměř bílé světlo, ale i když všechny tři LED diody svítí na maximální jas, konečná barva není zdaleka dokonalá. Proto se používají LED pásky RGB + W, které používají čtyři LED diody: RGB LED a další dioda emitující bílé světlo.
ačkoli RGB LED samy o sobě mohou produkovat barvu podobnou bílé, vyhrazená bílá LED ve struktuře poskytuje mnohem čistší bílý tón a umožňuje použití dalšího teplého nebo studeného bílého čipu. Bílý čip navíc poskytuje další možnosti míchání barev s čipy RGB a tímto způsobem můžete vytvořit působivou škálu jedinečných odstínů.