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2019-08-05

Anschluss und Programmierung von RGB-LED-Bändern

Leuchtdioden (LEDs) ersetzen zunehmend die Standardbeleuchtung in Form von Glühlampen, Halogenlampen und Leuchtstofflampen. Sie sind viel energieeffizienter als sie, aber ihre Vorteile enden nicht damit.

Aus diesem Artikel erfahren Sie:

LEDs werden häufig in Beleuchtungssystemen verwendet, in denen eine breite Palette weißer LEDs verwendet wird. Zunehmend werden jedoch farbige Dioden vor allem für die Innenbeleuchtung eingesetzt, was interessante ästhetische Effekte ergibt. Die fortschrittlichste Lösung dieser Art sind RGB-Dioden, deren Farbe stufenlos gesteuert werden kann und die nahezu jede Lichtfarbe im sichtbaren Bereich erreichen. Was gibt es sonst noch zu wissen über diese Produkte?

Was ist die LED-Diode?

Eine Leuchtdiode (LED) ist eine Halbleiterlichtquelle, die Licht aussendet, wenn Elektrizität durch sie fließt. Die Elektronen im Halbleiter verbinden sich mit Elektronenlöchern und setzen dabei Energie in Form von Photonen frei. Diesen Effekt nennt man Elektrolumineszenz.

Die Farbe des emittierten Lichts entspricht der Energie der emittierten Photonen. Dies hängt wiederum von der Energie ab, die erforderlich ist, um Elektronen durch die Bandlücke des Halbleiters zu leiten. Dieses Band wird manchmal als Energieunterbrechung bezeichnet und ist ein sehr wichtiger Parameter jedes Halbleiters. Somit hängt die Farbe der LED von dem für ihren Aufbau verwendeten Material ab.

LEDs kamen 1962 als handelsübliche elektronische Bauteile auf den Markt. Die erste von ihnen emittierte Infrarotlicht geringer Intensität. Infrarot-LEDs werden hauptsächlich in Fernbedienungsschaltungen verwendet, beispielsweise in der Unterhaltungselektronik. Die ersten Produkte, die im sichtbaren Licht arbeiteten, waren von geringer Intensität und waren auf Rot beschränkt. Sie wurden aus Materialien wie Galliumphosphid (GaP) und Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) hergestellt.

Moderne LEDs sind im sichtbaren, ultravioletten und infraroten Bereich erhältlich. Sie arbeiten mit hoher Emissionseffizienz, wodurch sie energiesparend viel Licht erzeugen. Moderne Produkte dieser Art werden je nach Farbe aus einer Vielzahl von Halbleitermaterialien hergestellt. Gegenwärtig werden rote LEDs aus Indium-Gallium-Aluminium-Phosphid (AlInGaP) hergestellt, wodurch sie effizienter sind als Elemente mit GaP oder AlGaAs. Die blauen und grünen LED-Dioden bestehen hauptsächlich aus Galliumnitrid und Indiumgalliumnitrid (GaN und InGaN). Die Menge an Indium bestimmt die Farbe - je mehr Indium, desto länger die Wellenlänge (z. B. grün).

Weshalb werden RGB-Dioden eingesetzt?

RGB ist ein additives Farbmodell, bei dem rotes (Red), grünes (Green) und blaues (Blue) Licht auf unterschiedliche Weise kombiniert werden, um eine breite Palette von Farben zu reproduzieren. Der Modellname leitet sich direkt von den englischen Namen der verwendeten Grundfarben ab. Die Hauptanwendung des RGB-Farbraummodells ist die Erkennung, Darstellung und Anzeige von Bildern in elektronischen Systemen wie Fernsehgeräten und Computern. Es wird auch in der analogen Fotografie und heutzutage immer häufiger in Beleuchtungssystemen eingesetzt. Vor dem elektronischen Zeitalter hatte das RGB-Farbmodell bereits eine solide Theorie, die auf der menschlichen Wahrnehmung von Farben basierte.

Das Mischen von rotem, grünem und blauem Licht von LED-Quellen zur Erzeugung von farbigem Licht erfordert spezielle elektronische Schaltkreise zur Steuerung des Mischprozesses. Da verschiedene LEDs leicht unterschiedliche Emissionsmuster aufweisen, kann sich die Farbbalance abhängig vom Betrachtungswinkel ändern, auch wenn sich die RGB-Quellen in einem Gehäuse befinden. Aus diesem Grund werden RGB-Dioden selten verwendet, um weißes Licht zu erzeugen, aber sie werden oft verwendet, um andere Farben zu erhalten. Dank der Flexibilität beim Mischen verschiedener Farben und der hohen Energieeffizienz ist dieses Verfahren vielseitig einsetzbar.

Vielfärbige LEDs bieten eine neue Möglichkeit, Licht mit verschiedenen Farben zu erzeugen. Die meisten sichtbaren Farben können durch Mischen verschiedener Mengen der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau erzeugt werden. Dies ermöglicht eine präzise und dynamische Steuerung der empfangenen Farbe. Das mit der Verwendung von RGB-Dioden für eine präzise Farbwiedergabe in Beleuchtungssystemen verbundene Problem besteht darin, dass sich die Energielücke des zum Aufbau des Elements verwendeten Halbleiters ändert, wenn sich die Temperatur ändert. Die Änderung der Energielücke geht mit einer Änderung der Beleuchtungsfarbe der einzelnen LEDs - Rot, Grün und Blau - in der RGB-Struktur einher. Dieses Problem tritt bei LEDs mit geringerer Leistung nicht auf.

Wie steuert man die Helligkeit von Dioden, also PWM-Modulierung

Die Helligkeit der Leuchtdiode ist abhängig vom durchfließenden Strom, der auf verschiedene Arten geregelt werden kann. Die zwei einfachsten Methoden dieser Einstellung sind die Verwendung einer gesteuerten Stromquelle oder eines PWM-Modulators.

Eine Stromquelle ist eine elektronische Schaltung, die unabhängig von ihrer Spannung elektrischen Strom liefert oder absorbiert. Es gibt zwei Arten von Stromquellen. Eine unabhängige Quelle liefert konstanten Strom. Die abhängige Quelle liefert wiederum einen Strom, der proportional zu einer anderen Spannung oder einem anderen Strom in der Schaltung ist. Natürlich ist eine abhängige Quelle erforderlich, um die LEDs zu steuern. Die meisten tatsächlichen Stromquellen werden unter Verwendung eines gesteuerten Widerstandselements (z. B. eines MOSFET-Transistors) ausgeführt. Sie werden so gesteuert, dass der Spannungsabfall an diesem Element den Strom zwingt, durch die Last zu fließen.

Der Nachteil einer Lösung mit einem verlustbehafteten Element, das die Strömung erzwingt, ist die geringe Energieeffizienz. Der Spannungsabfall am Bedienelement kann insbesondere bei geringen eingestellten Strömen recht hoch sein. Zusätzlich ist diese Steuerung, da sie einen analogen Eingang benötigt - beispielsweise eine Steuerspannung - in einem digitalen System schwierig zu implementieren und erfordert die Implementierung zusätzlicher Elemente, wie beispielsweise eines Digital-Analog-Wandlers.

PWM, oder Pulsweitenmodulation ist eine Methode zur Reduzierung der von einem elektrischen Signal abgegebenen Durchschnittsleistung, indem dieses Signal beim Ein- und Ausschalten (ohne Transienten - wie bei einer rechteckigen Wellenform) effektiv in separate Teile zerlegt wird. Der Durchschnittswert der an die Last gelieferten Spannung (und des Stroms) wird durch schnelles Ein- und Ausschalten eines bestimmten Schlüsseltyps zwischen der Stromversorgung und der Last gesteuert. Je länger dieser Schlüssel im Vergleich zu den Ausschaltperioden eingeschaltet ist, desto größer ist die an die Last abgegebene Gesamtleistung.

Die PWM-Modulation funktioniert vor allem, wenn mit relativ trägen Lasten gearbeitet wird, z. B. Motoren, die nicht leicht durch diskretes Schalten beeinflusst werden. Aufgrund der Trägheit reagieren sie langsamer. Die PWM-Schaltfrequenz muss hoch genug sein, um die Last nicht zu beeinträchtigen. Bei RGB-LEDs ist es nicht der Empfänger selbst - die Leuchtdiode ist inert, und das menschliche Auge bemerkt das Blinken nicht, weil es die Lichtintensität mittelt.

Die Geschwindigkeit (oder Frequenz), mit der die Taste die Last umschalten muss, kann je nach Last und Systemanwendung stark variieren. Bei LEDs hängt die optimale Frequenz auch von der spezifischen Anwendung ab. Die obere Grenze der Frequenz ist die Schaltgeschwindigkeit der LED. Die Schaltzeit einer typischen LED beträgt einige hundert bis einige tausend Nanosekunden, was sich in Schaltfrequenzen von einigen hundert Kilohertz bis einigen Megahertz niederschlägt. Andererseits wird die minimale Schaltfrequenz durch die Trägheit des menschlichen Sehens definiert. Bei einem sich bewegenden Objekt werden 200 Hertz als minimale Schaltfrequenz der LED-Steuertaste angenommen.

Der Hauptvorteil der PWM-Modulation besteht darin, dass die Leistungsverluste in Schaltgeräten sehr gering sind. Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, fließt praktisch kein Strom, und wenn der Schlüssel eingeschaltet ist, ist der Spannungsabfall an ihm vernachlässigbar. Die Leistungsverluste, die sich aus Spannungsabfall und fließendem Strom ergeben, sind daher in beiden Fällen gering. Darüber hinaus funktioniert PWM sehr gut mit digitalen Steuerungen, die aufgrund ihrer Natur - Null-Eins-Steuerung - den Schlüssel leicht steuern.

Was sind LED-Bänder und RGB-Bänder mit integrierten Treibern

Der LED-Streifen ist eine flexible Leiterplatte, auf die die Leuchtdioden für die Oberflächenmontage (SMD-Dioden) sowie andere Elemente, die für den Betrieb der Dioden benötigt werden, aufgelötet sind. Sie sind in der Regel mit einer Haftgrundierung ausgestattet.

LED-Bänder wurden in der Vergangenheit nur für Akzentbeleuchtung, Hintergrundbeleuchtung, Arbeitsbeleuchtung und dekorative Beleuchtung verwendet. Durch die Steigerung der Effizienz von LEDs und die Verfügbarkeit leistungsstärkerer Produkte konnten LED-Streifen als hochhelle Beleuchtung eingesetzt werden, die Leuchten mit Leuchtstofflampen oder Halogenlampen wirksam ersetzen.

Oft für Leuchtstreifen mit LEDs verwendet, sind diese auch in der Version mit mehrfarbigen LEDs erhältlich: RGB, RGBW. Das zweite dieser Bänder hat eine zusätzliche weiße (White) Diode, die weißes Licht in guter Qualität liefert - mehr dazu später im Artikel. Ihre Steuerung mit Hilfe externer Treiber wäre aufgrund der großen Anzahl der benötigten Kabel zur Steuerung eines längeren Bandes kompliziert. Daher werden bei diesen Bandtypen häufig integrierte Treiber verwendet.

Steuerung der Bänder

Die meisten RGB-LED-Bänder bestehen aus klassischen RGB-LEDs mit vier Anschlüssen - einer gemeinsamen Anode oder Kathode und einem einzelnen Anschluss für jede Farbe. Wir können die Kabel nicht direkt an die Stromversorgung anschließen, da ein Treiber erforderlich ist, dank dem wir die Farbe leicht ändern können. Mit einer solchen Lösung können wir zwar die Farbe steuern - es sollte jedoch beachtet werden, dass das gesamte Band dieselbe Farbe ausgibt, dies kann jedoch die Flexibilität der Verwendung einschränken. Neu ist die Lösung, in die neben RBG-LED-Dioden auch Treiber integriert sind, z. B. Worldsemi-Systeme aus der WS28xx-Familie.

Es ist auch erwähnenswert, dass klassische RGB-LED-Bänder anders gesteuert werden als solche mit Treibern. Dies ist hauptsächlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass die integrierten Treiber das Design ändern. Es wird nur eine Zeile (DATA) für die Steuerung verwendet, nicht drei für jede Farbe. Beispielsweise können Arduino-basierte Lösungen zur Steuerung verwendet werden.

Bänder mit Schaltkreisen in dieser Gruppe werden normalerweise als programmierbar oder intelligent bezeichnet, und der Treiber selbst hat die Form eines integrierten Schaltkreises, der zur Steuerung von LED-Dioden ausgelegt ist. Er enthält ein internes intelligentes digitales Daten-Latch vom Eingangsport, seine eigene individuelle Adresse sowie die Leistungstreiberschaltung. Er hat auch einen präzisen internen Oszillator und einen 12V-Spannungsstabilisator für LED-Dioden. Um die Dämpfung im System zu reduzieren, werden einzelne PWM-Kanäle phasenverschoben angesteuert. Dieses System verwendet den NZR-Kommunikationsmodus.

Im NZR-System sind die WS28xx-Serien in Reihe geschaltet. Der DIN-Pin ist der Dateneingang und der DO ist der Ausgang. Die Daten sind auf dem DIN-Pin des ersten Treibers in der Kette angegeben. Sein DO ist an das nächste DIN etc. angehängt. Nach dem Neustart des Chips empfängt die DIN-Leitung Daten von der Steuerung. Der erste Chip sammelt die ersten 24 Datenbits (dreimal 8 Bits für drei Farben) und überträgt sie dann an das interne Daten-Latch. Andere Daten werden mit Hilfe des DO-Ausgangs gesendet.

Die Daten auf dem DO-Ausgang werden von eingebauten digitalen Schaltkreisen gepuffert, sodass der nächste qualitativ hochwertige Prozess ankommt. Dies erhöht die Reichweite des Systems, da die einzigen Einschränkungen für die Länge des Bandes der maximale Abstand zwischen den Treibern und die Anzahl der verfügbaren Adressen sind.

Sobald die Daten durch den Treiber eingerastet werden, generiert dieses System die entsprechenden PWM-Steuersignale an den Ausgängen OUTR, OUTG und OUTB, mit denen die roten, grünen und blauen Dioden in der Struktur des Bands gesteuert werden. Durch die Adressierbarkeit der WS28xx-Familie ist es möglich, Farbe und Helligkeit der RGB-Diode individuell einzustellen, was die Möglichkeiten erheblich erweitert. Zum Beispiel - bei Bändern, die dieses System verwenden, kann jede der LEDs in einer anderen Farbe und mit unterschiedlicher Intensität leuchten, unabhängig von den anderen auf dem Band.

Erwähnenswert ist, dass es auch Komplettlösungen gibt, die sowohl RGB-LED-Strukturen als auch die Struktur des integrierten adressierbaren Treibers in einem Gehäuse enthalten, was die Anwendung vereinfacht und die Endkosten der Lösung senkt. Derartige Dioden werden sowohl von Worldsemi als auch von Liteon - embedded Dioden in wirtschaftlicher Ausführung mit hoher Qualität und Wiederholgenauigkeit angeboten.

Welches Band mit Steuerung sollte man auswählen?

Es gibt viele verschiedene RGB-LED-Bänder mit integrierten Treibern auf dem Markt. Hierbei handelt es sich um Bänder mit unterschiedlicher Leistung und Anzahl von LEDs, was sich in unterschiedlichen Helligkeitsstufen niederschlägt. Solche Produkte bestehen aus 30 bis 144 Dioden pro Meter und haben eine maximale Leistung von 36 W bis 86,4 W (bezogen auf 1 m Band).

RGB-LED-Bänder können mit 5V, 12V oder 24V Gleichspannung versorgt werden. Die Wahl eines bestimmten Bandes muss durch die in dem bestimmten System verfügbare Versorgungsspannung bestimmt werden. Zum Beispiel bewährt sich für ein Mikrocontroller-System hervorragend ein mit 5V gespeistes Band, und im Industriesystem ein mit 24V gespeistes Band. Bei der Auswahl des LED-Streifens für industrielle Anwendungen ist außerdem die Produktschutzklasse zu beachten. Bei der Wahl eines Modells mit der Klasse IP65, kann man mit der Zuverlässigkeit des Systems rechnen, da diese Klasse Staubdichtheit und Schutz gegen Feuchtigkeit garantiert.

RGB und RGBW – welche LED-Dioden sollte man auswählen?

Der Standard-RGB-LED-Streifen verwendet ein System, das aus drei LEDs (rot, grün und blau) besteht. Es kann eine breite Palette von Farben erzeugen, wobei die drei genannten Farben gemischt werden und Licht mit fast weißer Farbe erzeugt wird. Aber auch wenn alle drei LEDs bis zur maximalen Helligkeit leuchten, ist die erzielte Farbe alles andere als ideal. Deshalb verwendet man LED RGB + W Bänder, die vier Dioden nutzen: LED RGB und eine zusätzliche, weiße Elektrolumineszenz-Diode.

Obwohl die gleichen RGB-Dioden eine Farbe erhalten können, die der Farbe von Weiß nahe kommt, liefert die dedizierte weiße Diode in der Struktur einen viel saubereren Weißton und ermöglicht die Verwendung eines zusätzlichen warm- oder kaltweißen Chips. Darüber hinaus bietet der weiße Chip zusätzliche Möglichkeiten zum Mischen von Farben mit RGB-Chips und ermöglicht die Erstellung einer Vielzahl einzigartiger Farbtöne.

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