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2019-08-05

Collegamento e programmazione delle strisce LED RGB

I diodi elettroluminescenti (LED) sempre più frequentemente sostituiscono l'illuminazione standard in forma di lampadine, lampade alogene o lampadine fluorescenti. Rispetto ai predecessori sono molto più efficienti dal punto di vista energetico, ma i loro vantaggi non finiscono qui.

In quest’articolo illustreremo:

I diodi LED vengono spesso utilizzati nei sistemi di illuminazione, dove viene utilizzata una vasta gamma di LED bianchi. Tuttavia, sempre più spesso vengono utilizzati LED colorati, principalmente per l'illuminazione di interni; soluzione che assicura interessanti effetti estetici. L'opzione più avanzata di questo tipo è costituita dai LED RGB, che possono essere gestiti in modo continuo, consentono la riproduzione praticamente di qualsiasi tonalità di luce della gamma visibile. Cos'altro vale la pena di sapere su questi prodotti?

Che cos'è un diodo LED?

Il diodo elettroluminescente (LED) è una sorgente luminosa a semiconduttore che emette luce al passaggio della corrente elettrica al suo interno. Gli elettroni nel semiconduttore si ricombinano con le lacune elettroniche, rilasciando energia in forma di fotoni. Questo effetto viene chiamato elettroluminescenza.

Il colore della luce emessa corrisponde all'energia dei fotoni emessi. Ciò, a sua volta, dipende dall'energia necessaria per il passaggio degli elettroni attraverso la banda proibita del semiconduttore. Questa banda talvolta viene chiamata anche intervallo di energia e costituisce un parametro molto importante di ciascun semiconduttore. Pertanto il colore del diodo LED dipende dal materiale utilizzato per la sua costruzione.

I diodi LED sono apparsi sul mercato dei componenti elettronici nel 1962. I primi di questi componenti emettevano luce infrarossa a bassa intensità. I diodi LED a infrarossi vengono utilizzati principalmente nei circuiti di controllo remoto, ad es. nell'elettronica di consumo. I primi prodotti che operavano nel campo della luce visibile presentavano una bassa intensità ed erano limitati al colore rosso. Vengono prodotti con materiali quali il fosfato di gallio (GaP) e l'arseniuro di gallio e alluminio (AlGaAs).

I diodi LED moderni sono disponibili nella gamma di lunghezze d'onda visibili, ultraviolette e infrarosse. Offrono un'elevata efficienza in termini di emissioni, producendo energia luminosa a basso consumo energetico. I moderni diodi di questo tipo vengono realizzati con una gamma di diversi materiali semiconduttori, che dipendono dal colore. Attualmente i LED rossi vengono prodotti utilizzando del fosfuro di alluminio gallio indio (AlInGaP), in modo da renderli più efficienti rispetto agli elementi al GaP o al AlGaAs. I diodi LED blu e verdi vengono principalmente realizzati con l'impiego di nitruro di gallio e nitruro di gallio indio (GaN e InGaN). La quantità di indio determina il colore – maggiore è la quantità di indio, maggiore è la lunghezza d'onda (ad esempio colore verde).

Perché vengono utilizzati i LED RGB?

Il sistema RGB è un modello di colori di tipo additivo, in cui i colori rosso (Red), verde (Green) e blu (Blue) vengono combinati in diversi modi per riprodurre una vasta gamma di colori. Il nome del modello deriva direttamente dai nomi inglesi dei colori primari utilizzati. L'utilizzo principale del modello di spazio di colore RGB è il rilevamento, la riproduzione e la visualizzazione di immagini all'interno di sistemi elettronici come televisori e computer. Inoltre viene utilizzato nella fotografia analogica, e attualmente sempre più comunemente nei sistemi di illuminazione. Prima dell'era elettronica il modello di colore RGB aveva già una solida teoria, basata sulla percezione umana dei colori.

La miscelazione di luce rossa, verde e blu da sorgenti LED per riprodurre luce colorate richiede l'impiego di circuiti elettronici dedicati per controllare il processo di miscelazione dei colori. Poiché diodi LED diversi hanno modelli di emissione leggermente diversi, il bilanciamento del colore può variare a seconda dell'angolo di visione, anche se le sorgenti RGB si trovano nello stesso involucro. Per questo motivo i diodi LED RGB vengono utilizzati raramente per generare luce bianca, sono spesso utilizzati per ottenere altri colori. Questo metodo trova molte applicazioni grazie alla flessibilità di miscelazione di diversi colori e grazie all'elevata efficienza energetica.

I diodi LED multicolore offrono un nuovo modo per creare luce con colori diversi. La maggior parte dei colori percepibili può essere riprodotta mescolando diverse quantità dei tre colori primari: rosso, verde e blu. Ciò consente un controllo preciso e dinamico del colore ottenuto. Il problema legato all'impiego dei diodi LED RGB per la resa precisa del colore nei sistemi di illuminazione è che al variare della temperatura, varia l'intervallo di energia del semiconduttore utilizzato per la costruzione dell'elemento. Il cambiamento dell'intervallo di energia è accompagnato da un cambiamento del colore dei singoli diodi rosso, verde e blu nella struttura RGB. Questo problema non si verifica con i diodi LED di potenza inferiore.

Come viene gestita la luminosità dei LED, ossia modulazione PWM

La luminosità del diodo elettroluminescente dipende dalla corrente che scorre al suo interno, questa a sua volta può essere regolata in modi diversi. I due metodi più semplici per eseguire tale regolazione sono l'utilizzo di una sorgente di corrente regolata o di un modulatore PWM.

La sorgente di corrente è un circuito elettronico che fornisce o assorbe un determinato valore di corrente elettrica indipendente dalla tensione di quest'ultima. Esistono due tipi di sorgenti di corrente. Una sorgente indipendente fornisce una corrente costante. La sorgente dipendente a sua volta fornisce una corrente proporzionale a un'altra tensione o corrente presente nel circuito. Per la gestione di diodi LED ovviamente è necessaria una sorgente dipendente. La maggior parte delle attuali sorgenti di corrente sono realizzate utilizzando un componente dalla resistenza controllata (ad es. un transistor MOSFET). Questo componente viene gestito in modo che il calo di tensione su di esso forzi il passaggio di un valore di corrente adeguato al carico.

Lo svantaggio di questa soluzione con l'impiego di un componente dissipativo che forza il flusso, è la bassa efficienza energetica. Il calo di tensione sul componente di controllo può essere piuttosto elevato, soprattutto in caso di impostazione di bassi valori di corrente. Inoltre questo tipo di gestione in quanto richiede un ingresso analogico, ad es. una tensione di comando, è difficile da implementare in un sistema digitale e richiede l'impiego di componenti aggiuntivi, come ad es. un convertitore digitale-analogico.

La funzione PWM, ossia modulazione della larghezza d'impulso, è un metodo per ridurre la potenza media trasmessa dal segnale elettrico, mediante un taglio efficace di tale segnale in parti separate, in quando questo segnale viene acceso e spento (senza alcuna condizione transitoria, come nel caso della forma d'onda rettangolare). Il valore medio della tensione (e della corrente) trasmessa al carico viene regolato accendendo e spegnendo rapidamente il tipo di chiave specifico presente tra l'alimentazione e il carico. Più a lungo la chiave viene accesa rispetto ai periodi di spegnimento, maggiore è la potenza totale trasmessa al carico.

La modulazione PWM è particolarmente efficace in particolare in impieghi con carichi relativamente inerti, come ad es. i motori, non facilmente influenzati dalla commutazione mediante elementi discreti. A causa dell'inerzia, questi reagiscono più lentamente. La frequenza di commutazione PWM deve essere sufficientemente elevata per non influire sul carico. Nel caso dei diodi LED RGB non è il ricevitore stesso, diodo elettroluminescente, a presentare caratteristiche di inerzia, ma l'occhio umano che non percepisce lo sfarfallio, in quanto esegue una media dell'intensità luminosa.

La velocità (o la frequenza) alla quale la chiave deve commutare il carico, può variare notevolmente a seconda del carico e dell'applicazione del sistema. Nel caso dei diodi LED la frequenza ottimale dipende anche dall'applicazione specifica. Il limite superiore della frequenza è la velocità di commutazione dei diodi LED. Il tempo di commutazione tipico di un diodo LED va da alcune centinaia a diverse migliaia di nanosecondi, che si traduce in frequenze di commutazione da diverse centinaia di kilohertz ad alcuni megahertz. D'altra parte la frequenza di commutazione minima è definita dall'inerzia dell'occhio umano. Per un oggetto in movimento si considera che 200 hertz siano la frequenza di commutazione minima della chiave di comando del diodo LED.

Il vantaggio principale dell'utilizzo della modulazione PWM è il fatto che le perdite di potenza nei dispositivi di commutazione siano molto basse. Quando l'elemento di commutazione è spento, la corrente praticamente non passa, mentre quando la chiave è accesa, il calo di tensione su di essa è trascurabile. Le perdite di potenza, che corrispondono al prodotto del calo di tensione e dell'intensità di corrente che passa all'interno del circuito, sono in entrambi i casi molto piccole. Inoltre la modulazione PWM funziona molto bene con i controllori digitali, in quanto per via del loro principio di funzionamento, ossia il controllo binario (zero-uno), consentono una facile gestione della chiave.

Che cosa sono le strisce LED e le strisce RGB con driver integrato

La striscia LED è un circuito stampato flessibile, su cui sono saldati dei diodi elettroluminescenti destinati al montaggio superficiale (diodi SMD) e altri componenti necessari per il corretto funzionamento dei diodi. Di solito le strisce sono equipaggiate con un supporto adesivo.

Le strisce LED in passato venivano utilizzate solo per l'illuminazione d'accento, la retroilluminazione, l'illuminazione funzionale e l'illuminazione decorativa. La maggiore efficienza dei diodi LED e la disponibilità di prodotti più potenti hanno consentito l'impiego delle strisce LED come illuminazione ad alta luminosità, consentendo la sostituzione degli apparecchi dotati di lampadine fluorescenti o alogene.

Spesso le strisce con diodi LED destinate all'illuminazione sono disponibili anche nella versione con LED multicolore: RGB, RGBW. La seconda di queste strisce dispone di un ulteriore diodo bianco (White) che fornisce una luce bianca di buona qualità; maggiori informazioni verranno fornite nel proseguimento dell'articolo. La loro gestione con l'aiuto di driver esterni sarebbe complicata a causa dell'elevato numero di pin necessari per gestire strisce più lunghe. Pertanto per questo tipo di strisce spesso vengono utilizzati dei driver integrati.

Gestione delle strisce

La maggior parte delle strisce LED RGB viene realizzata con l'impiego di diodi LED RGB classici, dotati di quattro pin: un anodo o catodo comune e un singolo pin per ciascun colore. Non possiamo collegare i cavi direttamente all'alimentatore, in quanto è necessario un driver grazie al quale potremo facilmente cambiare il colore. Anche se tale soluzione ci permette di controllare la tonalità, tuttavia dobbiamo ricordare che l'intera striscia emetterà lo stesso colore, ciò può costituire una limitazione alla flessibilità d'impiego di questa soluzione. Recentemente godono di una sempre più crescente popolarità le soluzioni in cui la striscia, oltre ai diodi LED RBG, dispone anche di driver integrati, ad es. di circuiti Worldsemi della famiglia WS28xx.

Inoltre vale la pena aggiungere che le classiche strisce LED RGB vengono gestite in modo diverso da quelle dotate di driver. Ciò è dovuto principalmente al fatto che nel caso dei driver integrati cambia la struttura; per la gestione viene utilizzata solo una linea (DATA), piuttosto che tre separate per ogni colore. Ad esempio è possibile sfruttare soluzioni basate sulla piattaforma Arduino.

Le strisce dotate di circuiti di questo gruppo di solito vengono denominate programmabili o intelligenti, e il driver stesso è disponibile in forma di circuito integrato, destinato alla gestione dei diodi LED. Il driver presenta un latch di dati digitale intelligente interno nella porta di ingresso, un proprio indirizzo univoco e un circuito del driver di alimentazione. Inoltre dispone di un preciso oscillatore interno e uno stabilizzatore di tensione a 12V per i diodi LED. Per ridurre il ripple nel circuito, i singoli canali PWM sono controllati con uno sfasamento. Questo circuito sfrutta un protocollo di comunicazione NZR.

Nel sistema NZR i circuiti della famiglia WS28xx sono collegati tra di loro in serie. Il pin DIN svolge ma funzione di ingresso dati, mentre DO è l'uscita. I dati vengono inviati al pin DIN del primo driver della serie. Il pin DO di questo ultimo è collegato al pin DIN del driver successivo, ecc. Dopo il riavvio del chip, la linea DIN riceve i dati dal controllore. Il primo circuito integrato raccoglie i primi 24 bit di dati (tre volte gli 8 bit per tre colori), quindi li trasmette al latch di dati interno. I dati rimanenti vengono inviati oltre tramite l'uscita DO.

I dati sull'uscita DO vengono memorizzati nel buffer mediante circuiti digitali integrati, in modo che il driver successivo raggiunga una forma d’onda di alta qualità. Ciò aumenta la portata del circuito, in quanto le uniche limitazioni della lunghezza della striscia sono la distanza massima tra i driver e il numero di indirizzi disponibili.

Nel momento della chiusura del latch di dati da parte del driver, il sistema genera segnali di controllo PWM corrispondenti sulle uscite OUTR, OUTG e OUTB, destinati alla gestione rispettivamente dei diodi rossi, verdi e blu nella struttura del nastro. Grazie alla possibilità di indirizzare i circuiti della famiglia WS28xx, è possibile regolare in modo indipendente il colore e la luminosità dei diodi LED RGB, soluzione che amplia incredibilmente le possibilità. Ad esempio nelle strisce che utilizzano questo sistema, ciascuno dei diodi LED può essere acceso in una tonalità diversa e con intensità diversa, indipendentemente dai restanti diodi della striscia.

Vale la pena di ricordare che inoltre sono disponibili soluzioni complete, che presentano in un solo involucro sia la struttura LED RGB, che la struttura del driver indirizzabile integrato, semplificando l'applicazione e riducendo il costo finale della soluzione. Questi LED sono disponibili sia nella versione economica dall'azienda Worldsemi, che dall'azienda Liteon; questa ultima offre diodi embedded di elevata qualità e ripetibilità.

Quale striscia con controllore scegliere?

Sul mercato sono disponibili molte differenti strisce LED RGB con driver integrati. Si tratta di strisce con diversi livelli di potenza e numero di LED, con conseguenti diversi livelli di luminosità. Questi tipi di prodotti sono composti da 30 a 144 diodi LED per metro lineare e sono caratterizzati da una potenza massima da 36W a 86,4W (espressa in riferimento ad 1 m di striscia).

Le strisce LED RGB possono essere alimentate con tensione continua da 5V, 12V o 24V. La scelta di una striscia specifica deve essere dettata dalla tensione di alimentazione disponibile in un sistema specifico. Ad esempio per i sistemi a microcontrollore può essere ideale una striscia alimentata con tensione 5V, mentre nei sistemi industriali possono essere utilizzate strisce con tensione 24V. Inoltre, nella fase di scelta di una striscia LED destinata ad applicazioni industriali vale la pena di prestare attenzione al grado di protezione del prodotto. Scegliendo un modello con grado di protezione IP65 potremo contare sull'affidabilità del sistema, in quanto tale grado assicura la protezione dalla polvere e contro l'umidità.

RGB e RGBW – quali diodi LED scegliere?

Le strisce LED RGB standard sfruttano un sistema composto da tre diodi LED (rosso, verde e blu). Questa soluzione consente la riproduzione di una vasta gamma di colori, mescolando tre colori e riproducendo una luce di colore prossimo al bianco; tuttavia accendendo tutti e tre i LED alla massima luminosità, il colore ottenuto sarà tutt'altro che ideale. Per questo motivo vengono utilizzate anche strisce LED RGB + W che sfruttano quattro diodi: LED RGB ed un diodo elettroluminescente supplementare di colore bianco.

Anche se i singoli diodi LED RGB possono riprodurre un colore prossimo al bianco, il led bianco dedicato incorporato nella struttura della striscia assicura un tono bianco molto più pulito e consente l'utilizzo di un ulteriore chip bianco caldo o freddo. Inoltre, il chip bianco assicura funzionalità aggiuntive di combinazione dei colori con il sistema RGB, consentendo la creazione di una vasta gamma di tonalità uniche.

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