Installation et programmation de bandes LED RGB
Les diodes électroluminescentes (ou LED) remplacent de plus en plus souvent les sources de lumière électrique standard, telles que les ampoules à incandescence, les lampes halogènes ou les tubes fluorescents. Tout d’abord, ils sont beaucoup plus économes en énergie, mais ils présentent également de nombreux autres avantages.
Dans cet article, vous apprendrez:
- Qu’est-ce qu’une LED,
- Quelle est l’application des diodes RVB,
- Comment régler la luminosité de la diode,
- Qu’est-ce qu’une LED et une bande de LED RGB,
- Comment contrôler les bandes de LED,
- Quelle bande et quel contrôleur choisir,
- Comment choisir une LED appropriée.
Les LED sont souvent utilisées dans les systèmes d’éclairage équipés d’une large gamme de diodes blanches. Cependant, de plus en plus souvent, des LED de couleur sont utilisées pour éclairer les intérieurs avec un effet visuel accrocheur. La solution la plus avancée de ce type sont les diodes RVB, dont la couleur peut être contrôlée en douceur, mais également réglée sur presque toutes les couleurs du spectre visible. Quoi de plus à savoir à ce sujet?
Qu’est-ce qu’une LED ?
Les diodes électroluminescentes (LED) sont des sources lumineuses à semi-conducteurs qui émettent de la lumière lorsque le courant les traverse. Les électrons dans le semi-conducteur se recombinent avec des trous d’électrons pour libérer de l’énergie sous forme de photons. Cet effet est appelé électroluminescence.
La couleur de la lumière émise correspond à l’énergie des photons, qui à son tour est déterminée par l’énergie nécessaire aux électrons pour traverser la bande interdite du semi-conducteur. La bande interdite est parfois appelée écart d’énergie et est un aspect important de tout semi–conducteur – la couleur de la diode dépend donc du matériau utilisé pour sa construction.
Les LED sont apparues sur le marché en tant que composants électroniques disponibles dans le commerce en 1962. Initialement, ils émettaient une lumière infrarouge de faible intensité. Les LED infrarouges sont principalement utilisées dans les circuits de commande à distance, par ex. dans l’électronique grand public. Les premières LED à lumière visible étaient également de faible intensité et limitées à la couleur rouge. Ils ont été fabriqués à partir de matériaux tels que le phosphure de gallium (GaP) et l’arséniure de gallium d’aluminium (AlGaAs)
Les LED modernes sont disponibles dans les longueurs d’onde visibles, ultraviolettes et infrarouges, avec un rendement d’émission élevé, ce qui signifie qu’elles génèrent beaucoup de lumière pour un faible coût énergétique. Ces produits contemporains sont fabriqués à partir d’une variété de matériaux semi-conducteurs, en fonction de la gamme de couleurs souhaitée. Les diodes rouges sont fabriquées avec du phosphure d’aluminium gallium indium (AlInGaP), ce qui les rend plus efficaces que celles en GaP ou en algue. Les composants des diodes bleues et vertes, quant à eux, sont fabriqués principalement à partir de nitrure de gallium (GaN) et de nitrure de gallium d’indium (InGaN). La quantité d’indium détermine la couleur – plus il y a d’indium, plus la longueur d’onde est longue (par exemple, le vert).
Quelle est l’application des diodes RVB?
RVB est un modèle de couleur additive dans lequel les lumières rouges, vertes et bleues (comme son nom abrégé l’indique) sont combinées de différentes manières pour reproduire une large gamme de couleurs.La principale application du modèle couleur RVB est de détecter, représenter et afficher des images dans des systèmes électroniques tels que des téléviseurs et des ordinateurs, mais il a également été utilisé en photographie analogique. De nos jours, cependant, il est également de plus en plus utilisé dans les systèmes d’éclairage. Avant l’ère électronique, le modèle de couleur RVB avait déjà une théorie solide basée sur la perception humaine des couleurs.
Le mélange de lumière rouge, verte et bleue provenant de sources LED pour produire de la lumière blanche nécessite des circuits électroniques dédiés pour contrôler le mélange des couleurs et, étant donné que différentes diodes ont des motifs d’émission légèrement différents, la balance des couleurs peut changer, en fonction de l’angle de vue, même si les sources RVB sont dans un seul boîtier, les diodes RVB sont rarement utilisées pour produire un éclairage blanc. Néanmoins, cette méthode a de nombreuses applications en raison de la flexibilité du mélange de différentes couleurs et de la grande efficacité énergétique.
Les LED multicolores offrent également une nouvelle façon de créer de la lumière de différentes couleurs. La plupart des couleurs perceptibles peuvent être formées en mélangeant différentes quantités des trois couleurs primaires: rouge, vert et bleu. Cela permet un contrôle précis et dynamique de l’affichage des couleurs. Mais le problème de l’utilisation de LED RVB pour un affichage couleur précis dans les systèmes d’éclairage est lié au fait qu’un changement de température modifie également l’écart d’énergie du semi-conducteur utilisé comme composant. Par conséquent, un changement d’émission de couleur des diodes individuelles (rouge, vert et bleu) se produit dans la structure RVB. Ce n’est pas un problème dans le cas de diodes de faible puissance.
Comment régler la luminosité de la diode – modulation de largeur d’impulsion
La luminosité de l’émission de diode électroluminescente dépend du courant qui la traverse. Ceci, cependant, peut être contrôlé de différentes manières. Les deux méthodes les plus simples sont d’utiliser une source de courant contrôlée ou un modulateur PWM.
Une source de courant est un circuit électronique qui délivre ou absorbe un courant électrique indépendant de sa tension. Il existe deux types de sources de courant: une source de courant indépendante fournit un courant constant, tandis qu’une source de courant dépendante fournit un courant proportionnel à une autre tension ou au courant du circuit. Par conséquent, pour contrôler les LED, une source dépendante est nécessaire. La plupart des sources de courant réelles sont réalisées à l’aide d’éléments à résistance contrôlée (par exemple un transistor MOSFET). Il est commandé de telle sorte que la chute de tension sur cet élément force également le flux du courant souhaité à travers la charge.
L’inconvénient de la solution avec l’élément à perte qui force l’écoulement est son faible rendement énergétique. La chute de tension au niveau de l’élément de commande peut être assez importante, notamment pour des courants faibles. De plus, ce mode de commande, car il nécessite une entrée analogique – par exemple une tension de commande – est difficile à mettre en œuvre dans un système numérique et nécessite la mise en œuvre d’éléments supplémentaires tels qu’un convertisseur numérique-analogique.
PWM, ou modulation de largeur d’impulsion, est une méthode de réduction de la puissance moyenne délivrée par un signal électrique en coupant efficacement le signal en parties séparées lorsqu’il est allumé et éteint (sans aucun état de transition – comme dans une forme d’onde rectangulaire). La valeur moyenne de la tension (et du courant) appliquée à la charge est contrôlée en allumant et en éteignant rapidement un type de clé spécifique entre l’alimentation et la charge. Plus la clé est allumée longtemps par rapport aux périodes d’arrêt, plus la puissance totale fournie à la charge est grande.
La modulation PWM est particulièrement adaptée aux charges relativement inertes, telles que les moteurs qui ne sont pas si facilement affectés par la commutation discrète. Ils réagissent plus lentement en raison de l’inertie. La fréquence de commutation PWM doit être suffisamment élevée pour ne pas affecter la charge. Dans le cas des LED RVB, ce n’est pas le récepteur lui–même – la diode électroluminescente – qui est inerte, mais l’œil humain, qui ne perçoit pas le clignotement, car il fait la moyenne de l’intensité lumineuse.
La vitesse (ou la fréquence) à laquelle la clé doit commuter la charge peut varier considérablement en fonction de la charge et de l’application du système. Dans le cas des LED, la fréquence optimale dépend également de l’application spécifique. La limite de fréquence supérieure est la vitesse de commutation de la LED. Le temps de commutation d’une LED typique est compris entre plusieurs centaines et plusieurs milliers de nanosecondes, ce qui se traduit par des fréquences de commutation de plusieurs centaines de kilohertz à plusieurs mégahertz. D’autre part, la fréquence de commutation minimale est définie par l’inertie de l’œil humain. Avec un objet en mouvement, 200 Hz est utilisé comme fréquence de commutation minimale pour la touche de commande LED.
Le principal avantage de l’utilisation de la modulation PWM est que les pertes de puissance dans les dispositifs de commutation sont très faibles. Lorsque l’interrupteur est éteint, le courant ne circule pratiquement pas et lorsque la clé est allumée, la chute de tension sur la clé est marginale. Les pertes de puissance, qui sont le produit de la chute de tension et du flux de courant, sont donc faibles dans les deux cas. De plus, PWM fonctionne très bien avec les commandes numériques, qui, en raison de leur nature – contrôle zéro-un – contrôlent facilement la clé.
Qu’est-ce qu’une bande LED et RGB LED avec pilote intégré
La bande LED est une carte de circuit imprimé flexible sur laquelle sont soudées des diodes électroluminescentes (SMD) montées en surface et d’autres composants nécessaires au fonctionnement des diodes. Il est généralement équipé d’un support adhésif.
Les bandes LED n’étaient utilisées dans le passé que pour l’éclairage d’accentuation, le rétroéclairage, l’éclairage de tâches et l’éclairage décoratif. Grâce à l’efficacité accrue des LED et à la disponibilité de produits plus puissants, les bandes LED sont désormais utilisées comme éclairage à haute luminosité qui remplace efficacement les luminaires par des ampoules fluorescentes ou halogènes.
Les bandes LED populaires sont également disponibles dans une version avec LED multicolores: RGB, RGBW. Ce dernier a une diode blanche supplémentaire, qui émet une lumière blanche de bonne qualité – vous en apprendrez plus à ce sujet plus loin dans cet article. Les contrôler à l’aide de pilotes externes serait compliqué en raison du grand nombre de fils nécessaires pour contrôler la bande la plus longue. C’est pourquoi des pilotes intégrés sont souvent utilisés pour ce type de bandes.
Comment contrôler les bandes LED
La plupart des bandes de LED RVB sont construites à l’aide de LED RVB classiques avec quatre fils – une anode ou une cathode commune et un seul fil pour chacune des couleurs. Les câbles ne peuvent pas être connectés directement à l’alimentation, car un pilote est nécessaire pour un changement de couleur facile. Bien qu’une telle solution nous permette de contrôler la couleur, l’utilisateur doit se rappeler que la bande entière émet la même couleur, ce qui peut être une limitation en termes d’utilisation. Une solution dans laquelle des pilotes intégrés, tels que la famille de puces Worldsemi WS28xx, sont utilisés sur la bande en plus des LED RBG, est devenue populaire récemment.
Il convient également de mentionner que les bandes LED RVB classiques sont contrôlées différemment de celles avec des pilotes. Cela est principalement dû au fait que dans le cas des pilotes intégrés, la structure change – une seule ligne (DONNÉES) est utilisée pour contrôler, et non trois lignes distinctes pour chaque couleur. Vous pouvez utiliser par exemple des solutions de contrôle basées sur Arduino ici.
Les bandes avec des circuits de ce groupe sont généralement appelées programmables ou intelligentes, tandis que le pilote lui-même a la forme d’un circuit intégré, conçu pour contrôler les LED. Il comprend un verrou de données numériques intelligent interne pour le port d’entrée, sa propre adresse individuelle, ainsi qu’un circuit de contrôleur de puissance. Il dispose également d’un oscillateur interne précis et d’un régulateur de tension 12V pour LED. Afin de réduire l’ondulation dans le système, les canaux PWM individuels sont contrôlés avec un déphasage. Ce système utilise le mode de communication NZR.
Dans le système NZR, la famille de systèmes WS28xx est connectée en série. La broche DIN est l’entrée de données et la DO est la sortie. Les données sont fournies à la broche DIN du premier pilote de la chaîne. Son DO est attaché au DIN du suivant, etc. Après le redémarrage de la puce, la ligne DIN reçoit des données du contrôleur. La première puce collecte les 24 premiers bits de données (trois fois 8 bits pour trois couleurs) et les envoie ensuite au verrou de données interne. Les données restantes sont envoyées plus loin par la sortie DO.
Les données de sortie DO sont mises en mémoire tampon par des circuits numériques intégrés, de sorte que le pilote suivant reçoit une forme d’onde de haute qualité. Cela augmente la portée de la puce, car les seules limites à la longueur de la bande sont la distance maximale entre les pilotes et le nombre d’adresses disponibles.
Lorsque le pilote verrouille les données, le système génère des signaux de commande PWM appropriés aux sorties OUTR, OUTG et OUTB, conçus pour contrôler les diodes rouge, verte et bleue sur la bande. Grâce à la possibilité d’adresser la famille de circuits WS28xx, il est possible de régler individuellement la couleur et la luminosité de la diode RVB, ce qui élargit considérablement la gamme d’applications. Par example, dans les bandes utilisant ce système, chaque diode peut émettre une couleur différente et avec une intensité différente, quelles que soient les autres diodes sur la bande.
Il convient de mentionner qu’il existe également des solutions complètes contenant à la fois les structures de LED RVB et un pilote adressable intégré dans un boîtier, ce qui simplifie l’application et réduit le cos final. Ces diodes sont proposées à la fois dans une version économique de Worldsemi et dans la version proposée par Liteon, avec des diodes embarquées de qualité supérieure caractérisées par une répétabilité élevée.
Quelle bande et quel contrôleur choisir ?
De nombreuses bandes LED RGB avec pilotes intégrés sont disponibles sur le marché. Ce sont des bandes avec différentes options de puissance et de numéro de LED, ce qui se traduit par différents niveaux de luminosité. Ces produits vont de 30 à 144 LED par mètre et ont une puissance de sortie maximale de 36W à 86,4W (pour 1 mètre de bande).
Les bandes LED RGB peuvent être fournies avec 5V, 12V ou 24V DC. Le choix d’une bande spécifique doit être dicté par la tension d’alimentation disponible dans le système spécifique. Par exemple, pour un système de microcontrôleur, astrip fourni en 5V fonctionnera parfaitement, et dans un système industriel, une bande fournie en 24V sera le meilleur choix. De plus, lors du choix d’une bande LED pour des applications industrielles, il convient de vérifier la classe de protection d’entrée du produit. Si vous choisissez un modèle classé IP65, vous pouvez compter sur la fiabilité du système, car cette classe garantit l’étanchéité à la poussière et la protection contre l’humidité.
RGB ou RGBW – comment choisir une LED adaptée ?
Une bande LED RGB standard utilise trois LED (rouge, verte et bleue). Il peut produire une large gamme de couleurs, mélangeant ces trois couleurs et donnant une lumière presque blanche, mais même lorsque les trois LED sont allumées à la luminosité maximale, la couleur finale est loin d’être parfaite. Par conséquent, des bandes LED RVB + W sont appliquées, qui utilisent quatre LED: LED RGB et une diode électroluminescente blanche supplémentaire.
Bien que les LED RVB elles-mêmes puissent produire une couleur similaire au blanc, la LED blanche dédiée dans la structure fournit un ton blanc beaucoup plus pur et permet l’utilisation d’une puce blanche chaude ou froide supplémentaire. De plus, la puce blanche offre des possibilités supplémentaires pour mélanger les couleurs avec des puces RVB, ce qui vous permet de créer une gamme impressionnante de nuances uniques.