Podłączenie i programowanie taśm LED RGB

Diody elektroluminescencyjne (LED) coraz częściej zastępują standardowe oświetlenie w postaci żarówek, halogenów czy świetlówek. Są od nich o wiele bardziej energooszczędne, ale na tym nie kończą się ich zalety. Poznajmy i zatem i dowiedzmy się, jak podłączyć taśmę LED.

Z tego artykułu dowiesz się:

• Co to jest dioda LED,
• Dlaczego stosuje się diody RGB,
• Jak steruje się jasnością diody,
• Czym są taśmy LED i taśmy RGB,
• Jak sterować taśmami,
• Jaką taśmę z kontrolerem wybrać,
• Jakie diody LED wybrać.

Diody LED często wykorzystywane są w systemach oświetleniowych, gdzie korzysta się z szerokiej gamy białych diod. Coraz częściej sięga się jednak po diody kolorowe, głównie do doświetlania wnętrz, co daje ciekawe efekty estetyczne. Najbardziej zaawansowanym rozwiązaniem tego typu są paski ledowe RGB, których kolorem można płynnie sterować, osiągając niemalże każdą barwę światła z zakresu widzialnego. Co jeszcze warto wiedzieć o tych produktach? Przede wszystkim, że są wygodne w użyciu. Nie musimy sięgać po lutownicę, ani skomplikowane złączki - łączenie pasków i podłączenie zasilacza jest proste, a montaż taśmy LED zazwyczaj ogranicza się do użycia dwustronnej taśmy klejącej (zwłaszcza w przypadku produktów do użytku domowego), stosuje się też uchwyty lub specjalne profile aluminiowe (np. na zewnątrz budynku). Jeżeli potrzebujemy krótszego odcinka, powinniśmy pamiętać, że dłuższe odcinki można podzielić, a miejsce cięcia jest na taśmie LED wyznaczone.

Co to jest dioda LED?

Dioda elektroluminescencyjna (LED) jest półprzewodnikowym źródłem światła, które emituje światło, gdy płynie przez nią prąd elektryczny. Elektrony w półprzewodniku rekombinują z dziurami elektronowymi, uwalniając energię w postaci fotonów. Efekt ten nosi nazwę elektroluminescencji.

Kolor emitowanego światła odpowiada energii emitowanych fotonów. Ta z kolei jest zależna od energii wymaganej do przejścia elektronów przez pasmo wzbronione półprzewodnika. Pasmo to nazywane jest czasami przerwą energetyczną i jest bardzo istotnym parametrem każdego półprzewodnika. Zatem kolor taśm LED jest zależny od wykorzystanego do budowy ich komponentów materiału.

Diody LED pojawiły się na rynku jako komercyjnie dostępne elementy elektroniczne w roku 1962. Pierwsze z nich emitowały światło podczerwone o niskiej intensywności. Diody LED na podczerwień są stosowane głównie w obwodach zdalnego sterowania, np. w elektronice użytkowej. Pierwsze produkty pracujące w świetle widzialnym miały małą intensywność i były ograniczone do czerwieni. Produkowano je z materiałów takich jak fosforek galu (GaP) i arsenek galu glinowego (AlGaAs).

Nowoczesne diody LED są dostępne w zakresie długości fal widzialnych, ultrafioletowych i podczerwonych. Pracują z wysoką wydajnością emisji, dzięki czemu w energooszczędny sposób produkują dużo światła. Współczesne produkty tego typu wykonuje się z szeregu różnych materiałów półprzewodnikowych, zależnych od koloru. Obecnie czerwone LEDy są wytwarzane przy użyciu fosforku glinu indowo-galowego (AlInGaP), dzięki czemu są one wydajniejsze niż elementy z GaP czy AlGaAs. Niebieskie i zielone diody LED są wykonane głównie z azotku galu i azotku galu indu (GaN i InGaN). Ilość indu określa kolor – im więcej indu, tym większa długość fali (np. zielony).

Dlaczego stosuje się diody RGB?

RGB to addytywny model kolorów, w którym światła czerwone (Red), zielone (Green) i niebieskie (Blue) są łączone na różne sposoby, aby odtworzyć szeroką gamę kolorów. Nazwa modelu pochodzi bezpośrednio od angielskich nazw wykorzystywanych barw podstawowych. Głównym zastosowaniem modelu przestrzeni barw RGB jest wykrywanie, reprezentowanie i wyświetlanie obrazów w systemach elektronicznych, takich jak telewizory i komputery. Jest on również wykorzystywany w fotografii analogowej, a obecnie coraz częściej w systemach oświetleniowych. Przed epoką elektroniczną model kolorów RGB miał już za sobą solidną teorię, opartą na ludzkiej percepcji kolorów.

Mieszanie czerwonego, zielonego i niebieskiego światła ze źródeł LED w celu wytworzenia światła kolorowego wymaga dedykowanych układów elektronicznych, które po podłączeniu kontrolują proces mieszania barw i sumaryczny kolor oświetlenia. Ponieważ różne diody LED mają nieco inne wzorce emisji, balans kolorów może się zmieniać w zależności od kąta widzenia, nawet jeśli źródła RGB są w jednej obudowie. Z uwagi na to taśma RGB rzadko jest używana do wytwarzania światła białego, ale często stosuje się je do uzyskiwania innych kolorów (wystarczy ją podłączyć do odpowiedniego sterownika, o czym za chwilę). Metoda ta ma wiele zastosowań dzięki elastyczności mieszania różnych kolorów i wysoką efektywność energetyczną.

Wielokolorowe LEDy oferują nowy sposób tworzenia światła o różnych kolorach. Większość dostrzegalnych kolorów można utworzyć przez zmieszanie różnych ilości trzech kolorów podstawowych: czerwonego, zielonego i niebieskiego. Pozwala to na precyzyjną i dynamiczną kontrolę otrzymywanej barwy. Problemem związanym z zastosowaniem diod RGB do precyzyjnego oddawania barw w systemach oświetleniowych jest to, że wraz ze zmianą temperatury zmienia się przerwa energetyczna półprzewodnika wykorzystanego do budowy elementu. Zmianie przerwy energetycznej towarzyszy zmiana koloru świecenia poszczególnych diod – czerwonej, zielonej i niebieskiej – w strukturze RGB. Problem ten nie występuje z diodami o mniejszej mocy (może też być związany z jakością zastosowanego zasilacza).

Jak podłączyć diody LED aby sterować ich jasnością, czyli modulacja PWM

Jasność emisji diody elektroluminescencyjnej zależy od płynącego przez nią prądu, który można regulować na różne sposoby. Dwie najprostsze metody takiej regulacji to wykorzystanie sterowanego źródła prądowego lub modulatora PWM. Wymagane jest też użycie zasilacza o odpowiedniej wydajności.

Źródło prądowe to obwód elektroniczny, który dostarcza lub absorbuje prąd elektryczny niezależny od jego napięcia. Istnieją dwa typy źródeł prądowych. Niezależne źródło zapewnia stały prąd. Źródło zależne dostarcza z kolei prąd, który jest proporcjonalny do pewnego innego napięcia lub prądu w obwodzie. Do sterowania diodami składającymi się na taśmę LED wymagane jest oczywiście źródło zależne (nie tylko sam zasilacz). Większość rzeczywistych źródeł prądowych jest realizowanych z wykorzystaniem elementu o kontrolowanej rezystancji (np. tranzystora MOSFET). Jest on sterowany tak, aby spadek napięcia na tym elemencie wymuszał przepływ odpowiedniego prądu przez obciążenie. Warto tu podkreślić, że zazwyczaj instalacji zasilaczy i driverów dokonuje się za pomocą złączek, bez lutowania - można je zatem podłączyć i rozłączyć bez użycia specjalnych narzędzi.

Wadą rozwiązania z elementem stratnym, wymuszającym przepływ, jest niska efektywność energetyczna. Spadek napięcia na elemencie kontrolującym może być dosyć wysoki, szczególnie dla ustawionych niskich prądów (o tym będzie też decydował wybrany zasilacz do taśmy LED). Dodatkowo sterowanie to, jako że potrzebuje wejścia analogowego - np. napięcia sterującego, jest trudne do realizacji w systemie cyfrowym i wymaga implementacji dodatkowych elementów, takich jak przetwornik cyfrowo-analogowy i dedykowany zasilacz.

PWM, czyli modulacja szerokości impulsu, jest metodą zmniejszania średniej mocy dostarczanej przez sygnał elektryczny poprzez efektywne cięcie tego sygnału na oddzielne części, gdy jest on włączony i wyłączony (napięcie nie ulega stopniowemu zmniejszeniu, tylko zanika do 0V – jak w przebiegu prostokątnym). Napięcie i natężenie prądu podawanego do obciążenia są kontrolowane przez szybkie włączanie i wyłączanie określonego rodzaju klucza między zasilaniem a obciążeniem. Im dłużej klucz ten jest włączony w porównaniu z okresami wyłączenia, tym większa jest całkowita moc dostarczana do obciążenia.

Modulacja PWM sprawdza się szczególnie w pracy z relatywnie bezwładnymi obciążeniami, takimi jak silniki, na które przełączanie dyskretne nie wpływa tak łatwo. Z racji bezwładności reagują one wolniej. Częstotliwość przełączania PWM musi być wystarczająco wysoka, aby nie wpływać na obciążenie. W przypadku gdy emiterem jest taśma LED RGB, to nie sam odbiornik – dioda elektroluminescencyjna – jest bezwładny, a ludzkie oko, które nie dostrzega mrugania, gdyż uśrednia natężenie światła.

Szybkość (lub częstotliwość), przy której klucz musi przełączać obciążenie, może się znacznie różnić w zależności od obciążenia i zastosowania systemu (którym przeważnie jest instalacja oświetlenia LED). W przypadku diod LED optymalna częstotliwość również zależy od konkretnej aplikacji. Górną granicą częstotliwości jest szybkość przełączania się diod, w które wyposażono taśmę LED. Czas przełączania typowego "LEDa" wynosi od kilkuset do kilku tysięcy nanosekund, co przekłada się na częstotliwości przełączania od kilkuset kiloherców do kilku megaherców. Z drugiej strony, minimalna częstotliwość przełączania jest definiowana przez bezwładność ludzkiego wzroku. Przy poruszającym się obiekcie przyjmuje się 200 herców jako minimalną częstotliwość przełączania, z którą może współpracować taśma LED.

Główną zaletą wykorzystania modulacji PWM jest fakt, że straty mocy w urządzeniach przełączających są bardzo niskie (co pozwala na stosowanie zasilacza mniejszej mocy). Gdy przełącznik jest wyłączony, prąd praktycznie nie płynie, a kiedy włączony jest klucz, spadek napięcia na nim jest znikomy. Straty mocy, będące iloczynem spadku napięcia i płynącego prądu, są zatem w obu przypadkach niewielkie. Dodatkowo PWM działa bardzo dobrze z cyfrowymi kontrolami, które ze względu na swoją naturę – zero-jedynkowe sterowanie – łatwo kontrolują klucz. Umożliwia to też podłączenie taśmy LED do sterownika wykonanego np. za pomocą mikrokontrolera.

Czym są taśmy LED i taśmy RGB ze zintegrowanymi driverami

Taśma LED to elastyczna płytka drukowana, na której przylutowane są LEDy do montażu powierzchniowego (SMD) oraz inne elementy niezbędne do ich działania. Jest zwykle wyposażona w podkład klejący, a przylutowanie przewodów do taśmy jest zbędne - łączenie wykonuje się za pomocą dedykowanych konektorów.

Taśmy LED używane były w przeszłości wyłącznie w oświetleniu akcentującym, podświetleniu, oświetleniu zadaniowym i oświetleniu dekoracyjnym. Zwiększona skuteczność diod LED i dostępność produktów o większej mocy pozwoliły wykorzystać taśmy LED jako oświetlenie o wysokiej jasności, które skutecznie zastępuje oprawy wyposażone w żarówki fluorescencyjne czy halogenowe (które często wymagały użycia transformatora). Powszechne stały się również wszystkie produkty towarzyszące - dzisiaj z łatwością nabędziemy zasilacz do taśm LED, odpowiednie przewody itp.

Często stosowane do oświetlenia taśmy LED występują także w wersji z diodami wielokolorowymi: RGB, RGBW. Druga z tych taśm posiada dodatkową, białą (White) diodę, która zapewnia dobre jakościowo światło białe – więcej o tym w dalszej części artykułu. Sterowanie nimi z pomocą zewnętrznych driverów byłoby skomplikowane z uwagi na dużą ilość potrzebnych wyprowadzeń do sterowania dłuższą taśmą. Dlatego też coraz częściej z taśmami LED integruje się drivery.

Jak podłączyć taśmy LED - sterowanie

Większość taśm RGB zbudowana jest z wykorzystaniem klasycznych diod LED RGB z czterema wyprowadzeniami – wspólna anoda lub katoda oraz pojedyncze wyprowadzenie dla każdego z kolorów (czerwony przewód to w tym wypadku zasilanie kanału R). Przewody nie mogą być podłączone bezpośrednio z zasilaczem, gdyż niezbędny jest driver, dzięki któremu będziemy mogli w łatwy sposób zmienić kolor. Mimo, że takie rozwiązanie pozwala nam sterować barwą - przy czym należy pamiętać, że cała taśma LED emituje ten sam kolor, to może być ograniczeniem elastyczności zastosowania. Ostatnio coraz większą popularnością cieszy się rozwiązanie, w którym na taśmie, oprócz diod LED RBG znajdują się scalone sterowniki do nich np. układy Worldsemi z rodziny WS28xx. O tym, jak podłączyć taśmę LED tego rodzaju piszemy poniżej.

Warto też dodać, że klasycznymi produktami RGB steruje się inaczej niż tymi z driverami. Wynika to głównie z tego, że przy wbudowanych driverach scalonych zmienia się konstrukcja - do sterowania jest wykorzystywany tylko jeden przewód (DATA), a nie trzy oddzielne przewody dla każdego koloru. Taśmę LED tego typu można podłączyć do sterownika opartego np. o Arduino. Do budowy takich spersonalizowanych układów służą specjalne gniazdka, które ułatwiają podłączenie taśmy LED (chociaż tutaj, oczywiście, będzie już niezbędne lutowanie).

Taśmy LED z układami z tej grupy nazywa się zazwyczaj programowalnymi lub inteligentnymi, zaś sam driver ma formę układu scalonego, przeznaczonego do sterowania diodami LED. Zawiera on wewnętrzny inteligentny cyfrowy zatrzask danych z portu wejściowego, własny indywidualny adres, jak i obwód sterownika mocy. Posiada też precyzyjny oscylator wewnętrzny i stabilizator napięcia 12V (dodatkowe zabezpieczenie, gdyż pierwszym zawsze będzie zasilacz do taśmy LED). W celu zmniejszenia tętnienia w układzie poszczególne kanały PWM są sterowane z przesunięciem fazy. Układ ten używa trybu komunikacji NZR.

W systemie NZR układy z rodziny WS28xx są ze sobą połączone szeregowo samą taśmą LED. Pin DIN to wejście danych, a DO to wyjście. Dane są podane na pin DIN pierwszego drivera w łańcuchu. Jego DO jest dołączone do DIN kolejnego etc. Po zrestartowaniu chipu linia DIN odbiera dane z kontrolera. Pierwszy układ scalony zbiera pierwsze 24 bity danych (trzy razy po 8 bitów dla trzech barw), a następnie przesyła je do wewnętrznego zatrzasku danych. Pozostałe dane przesyłane są dalej z pomocą wyjścia DO.

Dane na wyjściu DO są buforowane przez wbudowane układy cyfrowe, więc do kolejnego drivera dociera przebieg wysokiej jakości. Zwiększa to zasięg układu, jako że jedynymi ograniczeniami długości taśmy LED są maksymalna odległość pomiędzy driverami oraz liczba dostępnych adresów. Wykonanie instalacji i podłączenie LEDów (taśm) do zewnętrznego zasilacza nie będzie zatem stanowiło problemu.

W momencie zatrzaśnięcia danych przez driver system ten wytwarza odpowiednie sygnały sterujące PWM na wyjściach OUTR, OUTG oraz OUTB, przeznaczone do sterowania diodą czerwoną, zieloną i niebieską w strukturze taśmy LED. Dzięki możliwości adresowania układów z rodziny WS28xx, istnieje możliwość indywidualnego ustawiania koloru i jasności diody RGB co niezwykle rozszerza możliwości. Dla przykładu - w taśmach wykorzystujących ten układu, każda z diod może świecić w innej barwie i z innym natężeniem, niezależnie od pozostałych na taśmie.

Warto wspomnieć, że dostępne są także kompletne rozwiązania zawierające w jednej obudowie zarówno struktury RGB, jak i strukturę scalonego drivera adresowalnego, co upraszcza aplikację i obniża finalny koszt rozwiązania. Taśmy takie oferowane są zarówno w wersji ekonomicznej przez firmę Worldsemi, jak i przez firmę Liteon - diody embedded o wysokiej jakości i powtarzalności. Wystarczy podłączyć LEDy, zamocować je, wykorzystując dwustronną taśmę klejącą i gotowe.

Jaką taśmę z kontrolerem wybrać?

Na rynku dostępne są różne taśmy RGB ze zintegrowanymi driverami. Są to taśmy o różnej mocy i liczbie diod, co przekłada się na różne poziomy jasności. Tego rodzaju produkty składają się z od 30 do 144 diod na metr i charakteryzują się mocą maksymalną od 36W do 86,4W (w przeliczeniu na 1 m taśmy).

Taśmy RGB mogą być zasilane napięciem stałym 5V, 12V lub 24V (zasilacze o takich parametrach są powszechnie dostępne). Wybór konkretnej taśmy LED musi być podyktowany dostępnym w konkretnym systemie napięciem zasilającym (oczywiście, cięcie taśmy LED nie zmienia jej nominalnego napięcia). Np. do systemu mikrokontrolerowego doskonale sprawdzi się taśma zasilana napięciem 5V, a w systemie przemysłowym taśma zasilana napięciem 24V. Dodatkowo, wybierając taśmę LED do zastosowań przemysłowych, warto zwrócić uwagę na klasę ochrony produktu. Wybierając model o klasie IP65, można liczyć na niezawodność systemu, gdyż klasa ta gwarantuje pyłoszczelność i ochronę przed wilgocią. Informacja o tym, jak podłączyć zasilacz do drivera oraz jak podłączyć taśmę LED zazwyczaj zawarta jest na korpusie sterownika (rzadko zdarzają się przypadki, gdy będzie wymagane lutowanie taśmy LED). Poszukując właściwego rozwiązania, warto odwiedzić sklep TME i przejrzeć parametry poszczególnych produktów.

Podłączenie LED RGB a RGBW - Jakie diody LED wybrać?

Standardowa taśma LED RGB wykorzystuje układ składający się z trzech diod (czerwonej, zielonej i niebieskiej). Może on wytwarzać szeroką gamę kolorów, mieszając wspomniane trzy barwy i dając światło o barwie prawie białej, ale nawet przy zapaleniu wszystkich trzech diod do maksymalnej jasności uzyskany kolor jest daleki od ideału. Dlatego też stosuje się taśmy LED RGB + W, które wykorzystują cztery elementy: RGB i dodatkową, białą diodę elektroluminescencyjną.

Chociaż taśma RGB może uzyskać kolor zbliżony do białego, dedykowana biała dioda w strukturze zapewnia znacznie czystszy biały ton i pozwala na zastosowanie dodatkowego ciepłego lub zimnego białego chipa. Ponadto biały chip zapewnia dodatkowe możliwości mieszania kolorów z układami RGB, umożliwiając tworzenie ogromnej gamy unikalnych odcieni.

Wszystkie komponenty i elementy instalacji, o których tu wspomniano, począwszy od zasilacza, przez driver i taśmę znaleźć można w naszym sklepie internetowym (znajdzie się tam, rzecz jasna, również lutownica i inne niezbędne narzędzia). Co więcej, na stronach TME opublikowaliśmy już niejeden praktyczny poradnik, w którym opisujemy, jak podłączyć elementy oświetleniowe, zainstalować bezpieczniki czy dokonać podstawowych pomiarów elektrycznych. Zapraszamy do zakupów i lektury!

Transfer Multisort Elektronik (TME) to jeden z największych globalnych dystrybutorów komponentów elektronicznych, elektrotechnicznych, wyposażenia warsztatowego, jak również automatyki przemysłowej. W katalogu dostępnych jest ponad 1 500 000 produktów od 1300 wiodących producentów. Nowoczesne centra logistyczne TME, mieszczące się w Łodzi oraz w Rzgowie, o łącznej powierzchni ponad 40 000m2, każdego dnia wysyłają blisko 6000 paczek z komponentami elektronicznymi do klientów w ponad 150 krajach.

TME angażuje się również w rozwój wiedzy i umiejętności młodych inżynierów i pasjonatów elektroniki poprzez projekt TME Edukacja, a także wspiera społeczność technologiczną, organizując cykl wydarzeń TechMasterEvent, promujących innowacje i wymianę doświadczeń.