You are browsing the website for customers from Czech Republic. Based on location data, the suggested version of the page for you is
USA / US
Change country
x

UDÁLOSTI

2019-08-05

Připojení a programování pásků LED RGB

Elektroluminiscenční diody (LED) stále častěji nahrazují standardní osvětlení v podobě žárovek, halogenů nebo zářivek. Jsou na rozdíl od nich energeticky úspornější, ale tím jejich přednosti nekončí.

Z tohoto článku se dozvíte:

Diody LED se často používají v osvětlovacích systémech, kde se využívá široká škála bílých diod. Stále častěji se však sahá po barevných diodách, hlavně pro osvětlení interiérů, což vytváří zajímavé estetické efekty. Nejpokročilejším řešením tohoto typu jsou diody RGB, jejichž barvu lze plynule řídit a dosahovat tak téměř každé barvy z viditelného spektra. Co ještě stojí za to vědět o těchto výrobcích?

Co to je dioda LED?

Elektroluminiscenční dioda (LED) je polovodičový zdroj světla, který emituje světlo, když přes něj protéká elektrický proud. Elektrony v polovodiči rekombinují s elektronovými děrami a uvolňují energii v podobě fotonů. Tento jev se označuje jako elektroluminiscence.

Barva emitovaného světla odpovídá energii emitovaných fotonů. Ta je závislá na energii potřebné pro přechod elektronů přes zakázané pásmo polovodiče. Toto pásmo se někdy jmenuje energetická mezera a je velmi důležitým parametrem každého polovodiče. Barva diody LED pak závisí na materiálu použitého k její stavbě.

Diody LED se objevily na trhu jako komerčně dostupné elektronické součástky v roce 1962. První emitovaly ultrafialové světlo nízké intenzity. Infračervené diody LED se používají hlavně v obvodech dálkového ovládání, např. ve spotřební elektronice. První výrobky pracující s viditelným světlem měly malou intenzitu a byly omezeny na červenou barvu. Vyráběly se materiálů, jako je fosfid galia (GaP) a arsenid hlinito-gallitý (AlGaAs).

Moderní diody LED jsou dostupné v oblasti viditelných, ultrafialových a infračervených vln. Pracují s vysokou účinností emise, díky čemu produkují energeticky úsporným způsobem hodně světla. Současné výrobky tohoto typu s vyrábějí z řady různých polovodičových materiálů, závislých na barvě. V současnosti se červené diody LED vyrábějí z fosfidu hlinito-indito-gallitého (AlInGaP), díky čemu jsou účinnější než součástky z GaP nebo AlGaAs. Modré a zelené diody LED se vyrábějí hlavně nitridu gallitého a nitridu indito-gallitého (GaN a InGaN). Množství india určuje barvu – čím více india, tím větší délka vlny (např. zelenou).

Proč se používají diody RGB?

RGB je aditivní model barev, u nějž se červené (Red), zelené (Green) a modré (Blue) světlo různými způsoby slučují, aby zobrazily širokou škálu barev. Název pochází přímo od anglických názvů použitých základních barev. Hlavním použitím modelu barevného prostoru RGB je detekce, prezentace a zobrazení snímků v elektronických systémech, jako jsou televize a počítače. Před elektronickou érou měl již barevný model RGB za sebou solidní teorii, založenou na lidském vnímání barev.

Míchání červeného, zeleného a modrého světla ze zdrojů LED za účelem vytváření barevného světla vyžaduje vyhrazené elektronické obvody pro řízení procesu míchání. Jelikož různé diody LED mají mírně odlišné emisní vzorce, rovnováha barev se může měnit v závislosti na zorném úhlu, i když jsou zdroje RGB v jednom pouzdru. Vzhledem k tomu se diody RGB zřídka používají k vytváření bílého světla, ale často se používají pro získání jiných barev. Tato metoda má mnoho využití díky flexibilitě míchání různých barev a vysoké energetické účinnosti.

Vícebarevné diody LED nabízejí nový způsob vytváření různobarevného světla. Většinu rozeznatelných barev lze vytvořit mícháním různého množství základních barev: červené, zelené a modré. Umožňuje to precizní a dynamické řízení barvy, kterou získáváme. Problémem spojeným s použitím diod RGB pro přesné podání barev v osvětlovacích systémech je to, že spolu se změnou teploty se mění energetická mezera polovodiče, použitého pro konstrukci součástky. Změnu energetické mezery doprovází změna barvy svitu jednotlivých diod – červené, zelené a modré – ve struktuře RGB. Tento problém nevzniká u diod menšího výkonu.

Jak se řídí jas diody, neboli modulace PWM

Jas emise elektroluminiscenční diody závisí na proudu, který přes ní teče, který lze různými způsoby regulovat. Dvěma nejjednoduššími metodami takové regulace jsou použití řízeného proudového zdroje nebo modulátoru PWM.

Proudový zdroj je elektronický obvod, který dodává nebo absorbuje elektrický proud nezávisle na jeho napětí. Existují dva typy proudových zdrojů. Nezávislý zdroj zajišťuje konstantní proud. Závislý zdroj pak dodává proud, který je úměrný jistému jinému napětí nebo proudu v obvodu. Pro řízení diod LED je samozřejmě potřebný závislý zdroj. Většina reálných proudových zdrojů je realizována s použitím prvku s řízeným odporem (např. tranzistoru MOSFET). Je řízen tak, aby úbytek napětí na této součástce vynutil průtok příslušného proudu zátěží.

Vadou řešení se ztrátovým prvkem, vynucujícím průtok, je nízká energetická účinnost. Úbytek napětí na řídicím prvku může být dost velký, zvláště při nastavení malých proudů. Navíc je toto řízení, jelikož potřebuje analogový vstup - např. řídicí napětí, obtížně realizovatelné v digitálním systému a vyžaduje implementaci dodatečných součástek, jako je digitálně-analogový převodník.

PWM, čili pulsní šířková modulace, je metoda snížení průměrného výkonu dodávaného elektrickým signálem efektivním rozsekáním tohoto signálu na samostatné úseky, kdy je vypnutý a zapnutý (bez žádných přechodných stavů – jak u obdélníkového průběhu). Průměrná velikost napětí (a proudu) přiváděného do zátěže je řízená rychlým zapínáním a vypínáním určitého druhu klíče mezi napájením a zátěží. Čím déle je tento klíč sepnutý ve srovnání s úseky, kdy je vypnutý, tím větší celkový výkon je dodáván do zátěže.

Modulace PWM se osvědčuje zvláště při práci se setrvačnými zátěžemi, jako jsou motory, které diskrétní spínání tak snadno neovlivňuje. Z důvodu setrvačnosti reagují pomaleji. Kmitočet spínání PWM musí být dostatečně vysoký, aby neovlivňoval zátěž. V případě diod LED RGB není vlastní přijímač – elektroluminiscenční dioda – setrvačná, ale lidské oko, které nepostřehne blikání, když průměruje intenzitu světla.

Rychlost (nebo kmitočet), s jakou musí klíč přepínat zátěž, se může značně lišit v závislosti na zátěži a použití systému. V případě diod LED rovněž závisí optimální kmitočet na konkrétní aplikaci. Horní hranicí kmitočtu je rychlost, s jakou se dioda LED přepíná. Doba přepínání typické diody LED je od několika stovek po několika tisíc nanosekund, což představuje kmitočet přepínání od několika stovek kilohertzů do několika megahertzů. Z druhé strany je minimální kmitočet přepínání určen setrvačností lidského zraku. U pohybujícího se objektu se 200 hertzů považuje za minimální kmitočet přepínání klíče, který řídí diodu LED.

Hlavní předností použití modulace PWM je fakt, že výkonové ztráty jsou ve spínaných zařízeních velmi nízké. Je-li přepínač vypnutý, proud prakticky neteče, a když je klíč sepnutý, je úbytek napětí na něm zanedbatelný. Výkonové ztráty, které jsou součinem úbytku napětí a protékajícího proudu, jsou pak v obou případech nevelké. Navíc PWM funguje dobře s digitálním řízením, které s ohledem na svou přirozenost – řízení jedničkami-nulami – snadno řídí klíč.

Co jsou pásky LED a pásky RGB s integrovanými drivery

Pásek LED je ohebný plošný spoj, na který jsou připájené elektroluminiscenční diody pro povrchovou montáž (diody SMD) a další součástky, které jsou potřebné pro funkci diod. Je obvykle vybaven lepivým podkladem.

Pásky LED se v minulosti používaly výlučně pro zvýrazňující osvětlení, podsvětlení, úkolové osvětlení a dekorační osvětlení. Zvýšená účinnost diod LED a dostupnost výrobků s vyšším výkonem umožnily použít pásky LED jako osvětlení s velkým jasem, které efektivně nahrazuje svítidla osazená zářivkami nebo halogenovými žárovkami.

Pásky s diodami LED, často používané pro osvětlování, existují také ve verzi s vícebarevnými diodami: RGB, RGBW. Druhý z těchto pásků má navíc bílou (White) diodu, která zajišťuje kvalitativně dobré bílé světlo – více o tom v další části článku. Jejich řízení pomocí vnějších driverů by bylo složité s ohledem na velký počet potřebných vývodů pro řízení delšího pásku. Proto také se u tohoto typu pásků používají integrované drivery.

Řízení pásků

Většina pásků LED RGB je zkonstruovaná s využitím klasických diod LED RGB se čtyřmi vývody – společná anoda nebo katoda a jednotlivé vývody pro každou z barev. Vodiče nelze připojit přímo ke zdroji, jelikož je nezbytný driver, díky němu budeme moci snadným způsobem měnit barvu. I když takové řešení nám umožňuje ovládat barvu – je třeba při tom pamatovat, že celý pásek emituje tutéž baru, může to být omezením pružnosti použití. V poslední době se stále větší oblibě těší řešení, u kterého se na pásku, kromě diod LED RBG, nacházejí integrované jejich kontroléry např. obvody Worldsemi z rodiny WS28xx.

Za zmínku stojí, že klasické pásky LED RGB se řídí jinak než ty s drivery. Vychází to hlavně z toho, že u vestavěných integrovaných driverů se mění konstrukce – pro řízení se používá pouze jeden signál (DATA) a ne tři samostatné pro každou barvu. Pro řízení lze např. použít řešení založená na Arduinu.

Pásky s obvody z této skupiny se obvykle nazývají programovatelné nebo inteligentní, samotný driver má pak formu integrovaného obvodu, určeného k řízení diod LED. Obsahuje interní inteligentní číslicový latch dat ze vstupního portu, vlastní individuální adresu, jak i obvod kontroléru výkonu. Má také přesný interní oscilátor a stabilizátor napětí 12 V pro diody LED. Kvůli zmenšení zvlnění v obvodu jsou jednotlivé kanály PWM řízeny s fázovým posunem. Tento obvod používá režim komunikace NZR.

V systému NZR jsou obvody z rodiny WS28xx spojeny navzájem sériově. Pin DIN je vstup dat a DO je výstup. Data se přivádějí pin DIN prvního driveru v řetězci. Jeho DO je připojeno k DIN následujícího atd. Po restartu chipu linka DIN přijímá data z kontroléru. První integrovaný obvod přijme prvních 24 bitů dat (tři krát po 8 bitech pro tři barvy) a následně je posílá do vnitřního latche dat. Zbývající data se posílají dále pomocí výstupu DO.

Data na výstupu DO jsou bufrovaná vestavěnými číslicovými obvody, k dalšímu driveru tedy přichází vysoce kvalitní průběh. Zvyšuje to dosah obvodu, jediným omezením délky pásku je maximální vzdálenost mezi drivery a počet dostupných adres.

V okamžiku, kdy driver zachytí data, generuje tento systém příslušné řídicí signály PWM na výstupech OUTR, OUTG a OUTB, určené k ovládání červené, zelené a modré diody ve struktuře pásku. Díky možnosti adresace obvodů z rodiny WS28xx existuje možnost individuálního nastavení barvy a jasu diody RGB, což neobyčejně rozšiřuje možnosti. Například – v páscích využívajících tento obvod může každá z diod svítit jinou barvou a jinou intenzitou, nezávisle na ostatních na pásku.

Stojí za připomenutí, že jsou dostupná také kompletní řešení obsahující v jednom pouzdru jak struktury LED RGB, tak i strukturu integrovaného adresovatelného driveru, což zjednodušuje aplikace a snižuje finální náklady řešení. Takové diody nabízí v ekonomické verzi firma Worldsemi, jak i firma Liteon - diody embedded s vysokou kvalitou a opakovatelností.

Jaký pásek s kontrolérem zvolit?

Na trhu je dostupných mnoho různých pásků LED RGB s integrovanými drivery. Jsou to pásky s různým výkonem a počtem diod, což se projevuje různou hladinou jasu. Výrobky tohoto druhu se skládají ze 30 až 144 diod na metr a mají maximální výkon od 36 W do 86,4 W (v přepočtu na 1 m pásku).

Pásky LED RGB mohou být napájeny stejnosměrným napětí 5 V, 12 V nebo 24 V. Volba konkrétního pásku musí být předurčena napájecím napětím dostupným v konkrétním systému. Např. pro mikrokontrolérový systém se skvěle hodí pásek napájený napětím 5 V a u průmyslového systému pásek napájený napětím 24 V. Při výběru pásku LED pro průmyslové aplikace musíme navíc věnovat pozornost stupni krytí výrobku. Volbou modelu se stupněm IP65 můžeme počítat se spolehlivostí systému, když tento stupeň zaručuje prachotěsnost a ochranu před vlhkostí.

RGB a RGBW – jaké diody LED zvolit?

Standardní pásek LED RGB využívá obvod sestávající ze tří diod (červené, zelené a modré). Může vytvářet širokou škálu barev tím, že míchá uvedené tři barvy a generuje světlo téměř bílé barvy, ale ani při rozsvícení všech tří diod maximálním jasem je získaná barva daleka ideálu. Proto také se používají pásky LED RGB + W, které používají čtyři diody: LED RGB a doplňkovou bílou elektroluminiscenční diodu.

I když samotné diody RGB mohou dosáhnout barvy blízké bílé, vyhrazená bílá dioda ve struktuře zajišťuje značně čistější bílý tón a umožňuje použití doplňkového teple nebo studeně bílého čipu. Bílý čip navíc zajišťuje doplňkové možnosti mísení barev s obvody RGB a umožňuje vytvořit obrovskou škálu unikátních odstínů.

linecard

Produkty uvidíte, až vyberete výrobce nebo kategorii

Quick Buy

?
symbol zboží objednané množství
Náhled

Další volby Quick Buy

epayment_home

Tato stránka používá soubory cookie. Pokud se chcete dozvědět více o souborech cookie a možnostech jejich nastavení, klikněte zde.

Příště nezobrazovat