RGB LED szalagok szerelése és programozása
a fénykibocsátó diódák (vagy LED-ek) egyre gyakrabban helyettesítik a szokásos elektromos fényforrásokat, például izzólámpákat, halogénlámpákat vagy fénycsöveket. Először is, sokkal energiahatékonyabbak, de sok más előnyük is van.
ebben a cikkben megtudhatja:
- mi a LED,
- mi az RGB diódák alkalmazása,
- hogyan kell beállítani a dióda fényerejét,
- mi az a LED és az RGB LED szalag,
- hogyan kell irányítani a LED csíkokat,
- melyik szalag és melyik vezérlő választani,
- hogyan válasszuk ki a megfelelő led.
a LED-eket gyakran használják a fehér diódák széles választékával felszerelt világítási rendszerekben. Azonban egyre gyakrabban színes LED-eket használnak a belső terek megvilágítására szemet gyönyörködtető vizuális hatással. Az ilyen típusú legfejlettebb megoldás az RGB diódák, amelyek színe simán szabályozható, de a látható spektrum szinte bármilyen színére is beállítható. Mit kell még tudni ezekről?
mi az a LED?
a fénykibocsátó diódák (LED-ek) félvezető fényforrások, amelyek fényt bocsátanak ki, amikor áram áramlik rajtuk. A félvezetőben lévő elektronok elektron lyukakkal rekombinálódnak, hogy energiát szabadítsanak fel fotonok formájában. Ezt a hatást elektrolumineszcenciának nevezik.
a kibocsátott fény színe megfelel a fotonok energiájának, amelyet viszont az az energia határoz meg, amely ahhoz szükséges, hogy az elektronok áthaladjanak a félvezető sávrésén. A sávrést néha energiarésnek nevezik, és minden félvezető fontos szempontja – így a dióda színe az építéshez használt anyagtól függ.
a LED-ek kereskedelmi forgalomban kapható elektronikus alkatrészekként jelentek meg a piacon 1962-ben. Kezdetben alacsony intenzitású infravörös fényt bocsátottak ki. Az infravörös LED-eket elsősorban távvezérlő áramkörökben használják, pl. a fogyasztói elektronikában. Az első látható fényű LED-ek szintén alacsony intenzitásúak voltak, és a piros színre korlátozódtak. Olyan anyagokból készültek, mint a gallium-foszfid (GaP) és az alumínium-gallium-arzenid (AlGaAs)
Modern LED-ek állnak rendelkezésre a látható, ultraibolya és infravörös hullámhosszon, magas emisszióval, ami azt jelenti, hogy sok fényt generálnak alacsony energiaköltség mellett. Ezek a kortárs termékek különböző félvezető anyagokból készülnek, a kívánt színtartománytól függően. A vörös diódákat alumínium-gallium-indium-foszfid (AlInGaP) felhasználásával gyártják, ami hatékonyabbá teszi őket, mint a GaP-ból vagy az algákból készült diódákat. A kék és zöld diódák komponensei viszont főként gallium-nitridből (GaN) és indium-gallium-nitridből (InGaN) készülnek. Az indium mennyisége határozza meg a színt – minél több indium, annál hosszabb a hullámhossz (pl. Zöld).
mi az RGB diódák alkalmazása?
az RGB egy additív színmodell, amelyben a vörös, a zöld és a kék (ahogy a rövidített név is sugallja) fények különböző módon kombinálódnak, hogy sokféle színt reprodukáljanak.Az RGB színmodell fő alkalmazási területe a képek észlelése, ábrázolása és megjelenítése elektronikus rendszerekben, például TÉVÉKÉSZÜLÉKEKBEN és számítógépekben, de Analóg fényképezésben is használják. Manapság azonban egyre inkább használják a világítási rendszerekben is. Az elektronikus korszak előtt az RGB színmodellnek már volt egy szilárd elmélete, amely a színek emberi érzékelésén alapult.
a piros, zöld és kék fény LED-forrásokból történő keveréséhez fehér fény előállításához dedikált elektronikus áramkörökre van szükség a színek keverésének szabályozására, és mivel a különböző diódák kissé eltérő emissziós mintázattal rendelkeznek, a színegyensúly a látószögtől függően változhat, még akkor is, ha az RGB források egyetlen csomagban vannak, így az RGB diódákat ritkán használják fehér világítás előállítására. Ennek a módszernek azonban számos alkalmazása van a különböző színek keverésének rugalmassága és a magas energiahatékonyság miatt.
a többszínű LED-ek a különböző színű fény létrehozásának új módját is kínálják. A legtöbb érzékelhető szín a három elsődleges szín különböző mennyiségének keverésével hozható létre: piros, zöld és kék. Ez lehetővé teszi a színek pontos és dinamikus vezérlését. De az RGB LED-ek használatának problémája a pontos színmegjelenítéshez a világítási rendszerekben azzal a ténnyel kapcsolatos, hogy a hőmérséklet változása megváltoztatja az alkatrészként használt félvezető energiahézagát is. Ennek következtében az egyes diódák (piros, zöld és kék) színkibocsátása megváltozik az RGB struktúrában. Ez nem jelent problémát az alacsony fogyasztású diódák esetében.
hogyan kell beállítani a dióda fényerő – impulzus-szélesség moduláció
a fényerő elektrolumineszcens dióda emisszió függ a folyó áram rajta. Ez, azonban, lehet ellenőrizni a vaiety módon. A két legegyszerűbb módszer egy szabályozott áramforrás vagy egy PWM Modulátor használata.
az áramforrás olyan elektronikus áramkör, amely feszültségétől független elektromos áramot szolgáltat vagy elnyel. Kétféle áramforrás létezik: egy független áramforrás állandó áramot szolgáltat, míg egy függő áramforrás olyan áramot szolgáltat, amely arányos valamilyen más feszültséggel vagy az áramkör áramával. Ezért a LED-ek vezérléséhez függő forrásra van szükség. A tényleges áramforrások többsége ellenőrzött ellenállású elemek (például MOSFET tranzisztor) felhasználásával készül. Úgy van szabályozva, hogy az elem feszültségcsökkenése a kívánt áram áramlását is a terhelésen keresztül kényszeríti.
az áramlást kényszerítő veszteséges elemmel rendelkező megoldás hátránya az alacsony energiahatékonyság. A vezérlőelem feszültségcsökkenése meglehetősen jelentős lehet, különösen alacsony áramok esetén. Ezenkívül ez a vezérlési mód, mivel analóg bemenetre-például vezérlőfeszültségre-van szüksége, nehezen valósítható meg egy digitális rendszerben, és további elemek, például digitális-analóg átalakító bevezetését igényli.
a PWM vagy az impulzusszélesség-moduláció egy módszer az elektromos jel által leadott átlagos teljesítmény csökkentésére azáltal, hogy a jelet hatékonyan külön részekre vágja, amikor be – és kikapcsolja (átmeneti állapotok nélkül-mint egy téglalap alakú hullámformában). A terhelésre alkalmazott feszültség (és áram) átlagos értékét egy adott típusú kulcs gyors be-és kikapcsolásával lehet szabályozni a tápegység és a terhelés között. Minél hosszabb ideig van bekapcsolva a kulcs a kikapcsolási időszakokhoz képest, annál nagyobb a terhelés teljes teljesítménye.
a PWM moduláció különösen alkalmas viszonylag inert terhelésekhez, például olyan motorokhoz, amelyeket a diszkrét kapcsolás nem olyan könnyen érint. A tehetetlenség miatt lassabban reagálnak. A PWM kapcsolási frekvenciának elég magasnak kell lennie ahhoz, hogy ne befolyásolja a terhelést. Az RGB LED-ek esetében nem maga a Vevő – a fénykibocsátó dióda – inert, hanem az emberi szem, amely nem érzékeli a villogást, mert átlagolja a fényintenzitást.
a sebesség (vagy frekvencia), amelyen a kulcsnak át kell kapcsolnia a terhelést, jelentősen változhat a terheléstől és a rendszer alkalmazásától függően. A LED-ek esetében az optimális frekvencia az adott alkalmazástól is függ. A felső frekvenciahatár a LED kapcsolási sebessége. Egy tipikus LED kapcsolási ideje több száz – több ezer nanoszekundum között van, ami több száz kilohertzről több megahertzre váltási frekvenciát jelent. Másrészt a minimális kapcsolási frekvenciát az emberi szem tehetetlensége határozza meg. Mozgó tárgy esetén a LED vezérlőgomb minimális kapcsolási frekvenciája 200 Hz.
a PWM moduláció használatának fő előnye, hogy a kapcsolóberendezések teljesítményvesztesége nagyon alacsony. A kapcsoló kikapcsolásakor az áram gyakorlatilag nem áramlik, a kulcs bekapcsolásakor pedig a kulcs feszültségesése marginális. Az energiaveszteség, amely a feszültségesés és az áramáramlás eredménye, ezért mindkét esetben kicsi. Ezenkívül a PWM nagyon jól működik a digitális vezérlőkkel, amelyek természetüknél fogva – nulla-egy vezérlés – könnyen vezérlik a kulcsot.
mi az a LED és RGB LED szalag integrált meghajtóval
a LED szalag egy rugalmas nyomtatott áramköri lap, amelyre a felületre szerelt fénykibocsátó diódákat (SMD-ket) és a diódák működéséhez szükséges egyéb alkatrészeket forrasztják. Általában ragasztó hátlappal van felszerelve.
a LED csíkokat a múltban csak ékezetes világításban, háttérvilágításban, feladatvilágításban és dekoratív világításban használták. A LED-ek fokozott hatékonyságának és a nagyobb teljesítményű termékek elérhetőségének köszönhetően a LED-csíkokat nagy fényerejű világításként használják, amely hatékonyan helyettesíti a lámpatesteket fluoreszkáló vagy halogén izzókkal.
a népszerű LED csíkok többszínű LED-ekkel is kaphatók: RGB, RGBW. Ez utóbbinak van egy további, fehér diódája, amely jó minőségű fehér fényt bocsát ki – erről később többet megtudhat ebben a cikkben. A külső illesztőprogramok segítségével történő vezérlésük bonyolult lenne, mivel a hosszabb szalag vezérléséhez nagy számú vezeték szükséges. Ez az oka annak, hogy az ilyen típusú csíkokhoz gyakran használnak integrált illesztőprogramokat.
hogyan lehet irányítani a LED csíkokat
a legtöbb RGB LED csík klasszikus RGB LED-ek felhasználásával készül, négy vezetékkel – egy közös anóddal vagy katóddal, valamint minden színhez egyetlen vezetékkel. A kábeleket nem lehet közvetlenül a tápegységhez csatlakoztatni, mert a szín egyszerű megváltoztatásához illesztőprogram szükséges. Bár egy ilyen megoldás lehetővé teszi a szín szabályozását, a felhasználónak emlékeznie kell arra, hogy az egész szalag ugyanazt a színt bocsátja ki, ami korlátozhatja annak használatát. A közelmúltban népszerűvé vált egy olyan megoldás, amelyben az integrált illesztőprogramokat, például a worldsemi WS28xx chipcsaládot használják a szalagon az RBG LED-ek mellett.
érdemes megemlíteni azt is, hogy a klasszikus RGB LED csíkokat másképp vezérlik, mint a meghajtókkal. Ez elsősorban annak köszönhető, hogy az integrált illesztőprogramok esetében a szerkezet megváltozik – csak egy sort (adatot) használnak a vezérléshez, nem pedig három külön sort minden színhez. Itt használhatja például az Arduino alapú vezérlési megoldásokat.
az ebbe a csoportba tartozó áramköröket általában programozhatónak vagy intelligensnek nevezik, míg maga a meghajtó integrált áramkör formájában van, amelyet LED-ek vezérlésére terveztek. Tartalmaz egy belső intelligens digitális adatzárat a bemeneti porthoz, saját egyedi címét, valamint egy teljesítményvezérlő áramkört. Pontos belső oszcillátorral és 12 V-os feszültségszabályozóval rendelkezik a LED-ek számára. A rendszer hullámzásának csökkentése érdekében az egyes PWM csatornákat fáziseltolással vezérlik. Ez a rendszer az NZR kommunikációs módot használja.
az NZR rendszerben a ws28xx rendszercsalád sorba van kapcsolva. A DIN pin az adatbevitel, a DO pedig a kimenet. Az adatokat a lánc első meghajtójának DIN-csapjára továbbítják. A DO csatlakozik a DIN A következő egy stb. A chip újraindítása után a DIN vonal adatokat kap a vezérlőtől. Az első chip összegyűjti az első 24 bit adatot (háromszor 8 Bit Három szín esetén), majd elküldi őket a belső adatzárba. A fennmaradó adatokat tovább küldi a DO kimenet.
A DO kimeneti adatokat beépített digitális áramkörök pufferelik, így a következő illesztőprogram kiváló minőségű hullámformát kap. Ez növeli a chip hatótávolságát, mivel a szalaghossz egyetlen korlátja az illesztőprogramok közötti maximális távolság és az elérhető címek száma.
amikor a vezető rögzíti az adatokat, a rendszer megfelelő PWM vezérlőjeleket generál az OUTR, OUTG és OUTB kimeneteken, amelyek a szalag piros, zöld és kék diódáinak vezérlésére szolgálnak. A ws28xx áramkörcsalád kezelésének lehetőségének köszönhetően lehetőség van az RGB dióda színének és fényerejének külön-külön történő beállítására, ami jelentősen kibővíti az alkalmazási tartományt. Például az ezt a rendszert használó csíkokban minden dióda eltérő színt és eltérő intenzitást bocsáthat ki, függetlenül a szalagon lévő többi diódától.
érdemes megemlíteni, hogy vannak olyan átfogó megoldások is, amelyek mind az RGB LED struktúrákat, mind az integrált címezhető meghajtót egy házban tartalmazzák, ami egyszerűsíti az alkalmazást és csökkenti a végső cos-t. Az ilyen diódákat mind a worldsemi, mind a Liteon által kínált költségvetési változatban kínálják, kiváló minőségű beágyazott diódákkal, amelyeket nagy ismételhetőség jellemez.
melyik szalagot és melyik vezérlőt válassza?
számos különböző RGB LED csík integrált illesztőprogramokkal kapható a piacon. Ezek különböző teljesítmény-és LED-szám opciókkal rendelkező csíkok, amelyek különböző fényerő-szinteket jelentenek. Az ilyen termékek 30-144 LED / méter, maximális teljesítményük pedig 36-86, 4 W (1 méter szalagonként).
az RGB LED csíkok 5V, 12V vagy 24V DC-vel szállíthatók. Egy adott szalag kiválasztását az adott rendszerben rendelkezésre álló tápfeszültség határozza meg. Például egy mikrokontroller rendszerhez az astrip 5V-os tápellátása tökéletesen működik, az ipari rendszerben pedig a 24V-os szalag lesz a legjobb választás. Ezenkívül az ipari alkalmazásokhoz használt LED-szalag kiválasztásakor érdemes ellenőrizni a termék behatolásvédelmi osztályát. Ha IP65 besorolású modellt választ, akkor számíthat a rendszer megbízhatóságára, mivel ez az osztály garantálja a porállóságot és a nedvesség elleni védelmet.
RGB vagy RGBW-Hogyan válasszunk megfelelő LED-et?
egy szabványos RGB LED szalag három LED-et használ (piros, zöld és kék). A színek széles skáláját képes előállítani, összekeverve ezt a három színt és majdnem fehér fényt adva, de még akkor is, ha mindhárom LED a maximális fényerőre világít, a végső szín messze nem tökéletes. Ezért RGB + W LED csíkokat alkalmaznak, amelyek négy LED-et használnak: RGB LED és egy további fehér fénykibocsátó dióda.
bár az RGB LED-ek maguk is képesek a fehérhez hasonló színt előállítani, a dedikált fehér LED a szerkezetben sokkal tisztább fehér hangot biztosít, és lehetővé teszi egy további meleg vagy hideg fehér chip használatát. Ezenkívül a white chip további lehetőségeket kínál a színek keverésére az RGB chipekkel, így lenyűgöző egyedi árnyalatokat hozhat létre.