Wydarzenia

2019-08-05

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.

Z tego artykułu dowiesz się:

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 diody RGB, których kolorem można płynnie sterować, osiągając niemalże każdą barwę światła z zakresu widzialnego. Co jeszcze warto wiedzieć o tych produktach?

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 diody LED jest zależny od wykorzystanego do jej budowy 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 diody LED 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 do kontrolowania procesu mieszania. 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 diody RGB rzadko są używane do wytwarzania światła białego, ale często stosuje się je do uzyskiwania innych kolorów. Metoda ta ma wiele zastosowań dzięki elastyczności mieszania różnych kolorów i wysoką efektywność energetyczną.

Wielokolorowe diody LED 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.

Jak steruje się jasnością diody, 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.

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 LED wymagane jest oczywiście źródło zależne. 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.

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. 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.

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 (bez żadnych stanów przejściowych – jak w przebiegu prostokątnym). Średnia wartość napięcia (i prądu) podawanego do obciążenia jest kontrolowana 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 diod 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. W przypadku diod LED optymalna częstotliwość również zależy od konkretnej aplikacji. Górną granicą częstotliwości jest szybkość przełączania się diody LED. Czas przełączania typowej diody LED 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 klucza sterującego diodą LED.

Główną zaletą wykorzystania modulacji PWM jest fakt, że straty mocy w urządzeniach przełączających są bardzo niskie. 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.

Czym są taśmy LED i taśmy RGB ze zintegrowanymi driverami

Taśma LED to elastyczna płytka drukowana, na której przylutowane są diody elektroluminescencyjne do montażu powierzchniowego (diody SMD) oraz inne elementy, które są potrzebne do działania diod. Jest zwykle wyposażona w podkład klejący.

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.

Często stosowane do oświetlenia taśmy z diodami 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 często na tego rodzaju taśmach stosuje się zintegrowane drivery.

Sterowanie taśmami

Większość taśm LED RGB zbudowana jest z wykorzystaniem klasycznych diod LED RGB z czterema wyprowadzeniami – wspólna anoda lub katoda oraz pojedyncze wyprowadzenie dla każdego z kolorów. Przewodów nie możemy podłączyć bezpośrednio do zasilacza, 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 emituje ten sam kolor, to może być ograniczeniem elastyczności zastosowania. Ostatnio co raz 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.

Warto też dodać, że klasyczne taśmami LED RGB steruje się inaczej niż tymi z driverami. Wynika to głównie z tego, że przy wbudowanych driverach scalonych zmienia się konstrukcja - do sterowania jest wykorzystywana tylko jedna linia (DATA), a nie trzy oddzielne dla każdego koloru. Do sterowania można np. wykorzystać rozwiązania oparte o Arduino.

Taśmy 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 dla diod 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. 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 są maksymalna odległość pomiędzy driverami oraz liczba dostępnych adresów.

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. 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 LED RGB, jak i strukturę scalonego drivera adresowalnego, co upraszcza aplikację i obniża finalny koszt rozwiązania. Diody takie oferowane są zarówno w wersji ekonomicznej przez firmę Worldsemi, jak i przez firmę Liteon - diody embedded o wysokiej jakości i powtarzalności.

Jaką taśmę z kontrolerem wybrać?

Na rynku dostępnych jest wiele różnych taśm LED 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 LED RGB mogą być zasilane napięciem stałym 5V, 12V lub 24V. Wybór konkretnej taśmy musi być podyktowany dostępnym w konkretnym systemie napięciem zasilającym. 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.

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 diody: LED RGB i dodatkową, białą diodę elektroluminescencyjną.

Chociaż same diody RGB mogą 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.

linecard

Aby zobaczyć produkty, wybierz producenta i/lub kategorię

Quick Buy

?
symbol produktu ilość
Podejrzyj

Inne opcje Quick Buy

epayment_home

Ta witryna korzysta z plików cookie. Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o plikach cookie i zarządzaniu ich ustawieniami.

Nie pokazuj ponownie