События

2019-08-05

Подключение и программирование лент LED RGB

Электролюминесцентные диоды (LED) все чаще заменяют стандартное освещение в виде лампочек, галогеновых и люминесцентных ламп. По сравнению с ними, диоды LED намного более энергосберегающее, но на этом не заканчиваются их преимущества.

Из настоящей статьи вы узнаете:

Диоды LED часто применяются в осветительных системах, где используется широкая гамма белых диодов. Все чаще, однако, пользуются спросом цветные диоды, преимущественно для дополнительного освещения интерьеров, что дает интересные эстетические эффекты. Наиболее продвинутым решением этого типа являются диоды RGB, цветом которых можно плавно управлять, достигая почти любого цвета света видимого спектра. Что еще стоит знать об этих продуктах?

Что такое диод LED?

Электролюминесцентный диод (LED) является полупроводниковым источником света, который излучает свет, когда через него протекает электрический ток. Электроны в полупроводнике рекомбинируют с электронными дырками, высвобождая энергию в виде фотонов. Этот эффект носит название электролюминесценции.

Цвет излучаемого света отвечает энергии эмитируемых фотонов. Но она в свою очередь зависит от энергии, необходимой для перехода электронов через запрещенную зону полупроводника. Эту зону называют иногда запрещенной, и она является очень существенным параметром каждого полупроводника. Следовательно, цвет диода LED зависит от примененного в его конструкции материала.

Диоды LED появились на рынке как коммерчески доступные электронные элементы в 1962 году. Первые из них излучали инфракрасный свет низкой интенсивности. Инфракрасные диоды LED чаще всего применяются в цепях дистанционного управления, напр., в бытовой электронике. Первые изделия, работающие в видимом спектре, имели малую интенсивность и были ограничены до красного цвета. Производились они из таких материалов, как фосфид галлия (Gap) и арсенида алюминия-галлия (AlGaAs).

Современные диоды LED доступны в диапазоне длин видимых, ультрафиолетовых и инфракрасных волн. Работают с высокой производительностью эмиссии, благодаря чему энергосберегающим образом генерируют много света. Современные продукты этого типа выполняются из ряда различных полупроводниковых материалов в зависимости от цвета. Сегодня красные диоды LED изготавливаются с использованием фосфида алюминий-индий-галлий (AlInGaP), благодаря чему они более производительны, чем элементы из GaP или AlGaAs. Синие и зеленые диоды LED выполнены преимущественно из нитрида галлия и индия-галлия нитрида (GaN и InGaN). Количество индия определяет цвет, – чем больше индия, тем большая длина волны (напр., зеленый).

Почему применяются диоды RGB?

RGB - это аддитивная модель цветов, в которой красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвета смешиваются различным образом, чтобы воссоздать широкую гамму цветов. Название модели происходит непосредственно от английских названий используемых основных цветов. Главным применением модели пространства цветов RGB является выявление, репрезентация и отображение изображений в электронных системах, таких как телевизоры и компьютеры. Она используется также в аналоговой фотографии, а сегодня - все чаще в осветительных системах. Накануне электронной эпохи модель цветов RGB уже имела за собой солидную теорию, основанную на человеческом восприятии цветов.

Смешивание красного, зеленого и синего света из источников LED для получения света различных цветов требует специальных электронных схем для контроля процесса смешивания. Поскольку разные диоды LED имеют несколько иные виды эмиссии, баланс цветов может изменяться в зависимости от угла восприятия, даже если источники RGB находятся в одном корпусе. В связи с этим диоды RGB редко употребляются для получения белого света, но часто применяются для получения других цветов. Этот метод имеет много применений, благодаря гибкости смешивания различных цветов и высокую энергетическую эффективность.

Многоцветные диоды LED обуславливают новый способ создания света разных цветов. Большинство наблюдаемых цветов можно получить путем смешивания разных количеств трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Это обеспечивает точный и динамичный контроль получаемого цвета. Проблемой, связанной с применением диодов RGB для точной передачи цветов в осветительных системах, является то, что с изменением температуры изменяется запрещенная зона полупроводника, использованного для создания элемента. Изменение запрещенной зоны приводит к изменению цвета свечения отдельных диодов – красного, зеленого и синего – в структуре RGB. Эта проблема не возникает с диодами малой мощности.

Как управлять яркостью диода, то есть модуляция PWM

Яркость эмиссии электролюминесцентного диода зависит от тока, протекаемого через него, который можно регулировать различными способами. Два самых простых метода такого регулирования - это использование управляемого источника тока или модулятора PWM.

Источник тока - это электронная цепь, которая генерирует или потребляет электрический ток независимо от его напряжения. Существуют два типа источников тока. Независимый источник обеспечивает постоянный ток. Зависимый источник генерирует в свою очередь ток, который пропорционален определенному другому напряжению или току в цепи. Для управления диодами LED требуется очевидно зависимый источник. Большинство реальных источников тока выполняются с использованием элемента с контролируемым сопротивлением (напр., транзистора MOSFET). Он управляется так, чтобы падение напряжения на этом элементе вызывало протекание соответствующего тока через нагрузку.

Недостатком решения с таким нагрузочным элементом, вынуждающим прохождение тока, является низкая энергетическая эффективность. Падение напряжения на контролирующем элементе может быть достаточно высоким, особенно для установленных малых токов. Дополнительно это управление, поскольку требует аналогового входа, напр., управляющего напряжения, трудно выполнить в цифровом виде и требует имплементации дополнительных элементов, таких как цифро-аналоговый преобразователь.

PWM, то есть модуляция ширины импульса, – это метод снижения средней мощности, обеспечиваемой электрическим сигналом путем эффективного разделения этого сигнала на отдельные части, когда он включен и выключен (и без переходных состояний, как в последовательности прямоугольных импульсов). Среднее значение напряжения (и тока), подаваемого на нагрузку, контролируется быстрым включением и выключением определенного вида ключа между питанием и нагрузкой. Чем дольше этот ключ включен по сравнению с периодами выключения, тем больше полная мощность, подаваемая на нагрузку.

Модуляция PWM целесообразна особенно при работе с относительно инертными нагрузками, такими как двигатели, на которые дискретное переключение не влияет столь легко. Из-за своей инертности реагируют они медленнее. Частота переключения PWM должна быть достаточно высокой, чтобы не влиять на нагрузку. В случае диодов LED RGB - это не сам приемник – электролюминесцентный диод – инертен, а человеческий глаз, который не замечает миганий, поскольку усредняет интенсивность света.

Скорость (или частота), при которой ключ должен переключать нагрузку, может значительно отличаться в зависимости от нагрузки и применения системы. В случае диодов LED оптимальная частота также зависит от конкретного приложения. Верхней границей частоты является скорость переключения диода LED. Время переключения типичного диода LED составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч наносекунд, что отвечает частотам переключения от несколько сотен килогерц до нескольких мегагерц. С другой стороны, минимальная частота переключения определяется инертностью человеческого зрения. При движущимся объекте принимается 200 герц в качестве минимальной частоты переключения ключа, управляющего диодом LED.

Главным преимуществом использования модуляции PWM является тот факт, что потери мощности в переключающих устройствах очень малы. Когда переключатель выключен, ток практически не течет, а когда включен ключ, падение напряжения на нем незначительно. Потери мощности, являющиеся произведением падения напряжения и протекающего тока, следовательно, в обоих случаях невелики. Дополнительно PWM работает очень хорошо с цифровым контролем, который ввиду своей природы – ноль-единичное управление – легко контролирует ключ.

Чем являются ленты LED и ленты RGB с интегрированными драйверами

Лента LED - это гибкая печатная плата, на которой припаяны электролюминесцентные диоды поверхностного монтажа (диоды SMD), а также другие элементы, необходимые для работы диодов. Обычно имеет клеящий слой-подкладку.

Ленты LED в прошлом использовались исключительно в акцентирующем освещении, для подсветки, при освещении заданий и в декоративном освещении. Повышенная эффективность диодов LED и доступность продуктов большей мощности позволили использовать ленты LED в качестве освещения высокой яркости, которое эффективно заменяет оправы, оборудованные флуоресцентными или галогеновыми лампами.

Часто ленты с диодами LED, используемые для освещения, доступны также в версии с многоцветными диодами: RGB, RGBW. Вторая из этих лент содержит дополнительный белый диод (White), который обеспечивает качественно хороший белый свет, – более подробно об этом - в дальнейшей части статьи. Управление ими с помощью внешних драйверов было бы затруднено ввиду большого количества выводов, необходимых для управления более длинной лентой. Поэтому также часто на лентах такого вида применяются интегрированные драйверы.

Управление лентами

Большинство лент LED RGB построено с использованием классических диодов LED RGB с четырьмя выводами – общий анод или катод и одиночные выводы для каждого из цветов. Провода нельзя подсоединить непосредственно к блоку питания, поскольку необходим драйвер, благодаря которому мы сможем в легко изменять цвет. Несмотря на то, что такое решение позволяет нам управлять цветом – при этом следует помнить, что вся лента излучает один и то же цвет, - это может ограничивать гибкость применения. В последнее время все большей популярностью пользуется решение, в котором на ленте, кроме диодов LED RBG, находятся интегральные контроллеры к ним, напр., схемы Worldsemi линейки WS28xx.

Стоит также добавить, что классически лентами LED RGB управляют иначе, чем лентами с драйверами. Это является следствием того, что при встроенных интегральных драйверах изменяется конструкция, – для управления используется только одна линия (DATA), а не три отдельных для каждого цвета. Для управления можно, напр., использовать решения, опирающиеся на Arduino.

Ленты со схемами этой группы называют обычно программируемыми или интеллигентными, а сам драйвер имеет форму интегральной схемы, предназначенной для управления диодами LED. Он имеет внутреннюю интеллигентную цифровую блокировку данных от входного порта, собственный индивидуальный адрес, так и цепь контроллера мощности. Имеет также прецизионный внутренний осциллятор и стабилизатор напряжения 12 В для диодов LED. С целью уменьшения пульсаций в схеме отдельные каналы PWM управляются со смещением фазы. Эта схема использует режим коммуникации NZR.

В системе NZR схемы линейки WS28xx соединены между собой последовательно. Контакт DIN - это вход данных, а DO - выход. Данные подаются на первый контакт DIN драйверa в цепи. Его DO подключен к следующему DIN и так далее Сбросе чипа линия DIN получает данные с контроллера. Первая интегральная схема собирает первые 24 бита данных (три раза по 8 битов для трех цветов), а затем направляет их на внутреннюю блокировку данных. Остальные данные пересылаются дальше с помощью выхода DO.

Данные на выходе DO попадают в буфер через встроенные цифровые схемы, следовательно, до следующего драйвера доходит последовательность высокого качества. Это увеличивает дальность схемы, поскольку единственными ограничениями длины ленты являются максимальные расстояние между драйверами и числом доступных адресов.

В момент блокировки данных драйвером эта система выдает соответствующие сигналы, управляющие PWM на выходах OUTR, OUTG и OUTB, предназначенные для управления красным, зеленым и синим диодами в структуре ленты. Благодаря возможности адресации схем линейки WS28xx, существует возможность индивидуальной настройки цвета и яркости диода RGB, что необыкновенно расширяет возможности. Для примера, – в лентах, использующих эту схему, каждый из диодов может светить другим цветом и с другой интенсивностью, независимо от остальных на ленте.

Стоит отметить, что доступны также комплексные решения, содержащие в одном корпусе как структуры LED RGB, так и структуру интегрального адресного драйвера, что упрощает приложение и снижает конечную стоимость решения. Такие диоды предлагаются, как в экономной версии - фирмой Worldsemi, как и фирмой Liteon – встраиваемые диоды высокого качества и повторяемости.

Какую ленту с контроллером выбрать?

На рынке доступно много различных лент LED RGB с интегрированными драйверaми. Это ленты различной мощности и с разным количеством диодов, что обеспечивает разные уровни яркости. Продукты данного вида состоят из от 30 до 144 диодов на погонный метр и характеризуются максимальной мощностью от 36 Вт до 86,4 Вт (в пересчете на 1 м ленты).

Ленты LED RGB могут питаться постоянным напряжением 5В, 12В или 24В. Выбор конкретной ленты должен быть продиктован доступным в конкретной системе напряжением питания. Напр., к микроконтроллерной системе прекрасно подойдет лента, питаемая напряжением 5В, а в промышленной системе лента, с напряжением питания 24В. Дополнительно, выбирая ленту LED для промышленных применений, стоит обратить внимание на класс защиты продукта. Выбирая модель класса IP65, можно рассчитывать на безотказность системы, поскольку этот класс гарантирует герметичность и защиту от влажности.

RGB и RGBW – какие диоды LED выбрать?

Стандартная лента LED RGB использует схему, которая состоит из трех диодов (красный, зеленый и синий). Она может производить широкую гамму цветов, смешивая упомянутые три цвета и предоставляя почти белый свет, но даже при свечении всех трех диодов до максимальной яркости полученный цвет далек от идеала. Поэтому также применяютсяленты LED RGB + W, которые используют четыре диода: LED RGB и дополнительный белый электролюминесцентный диод.

Хотя сами диоды RGB могут выдать цвет, приближенный к белому, специальный белый диод в структуре дает значительно более чистый белый тон и обеспечивает применение дополнительного теплого или холодного белого чипа. Кроме того, белый чип предоставляет дополнительные возможности смешивания цветов со схемами RGB, делая возможным создание широкой гаммы уникальных оттенков.

linecard

Чтобы увидеть изделия, выберите производителя или категорию

Quick Buy

?
код товара кол-во
Просмотреть

Другие опции Quick Buy

paypal_help

Этот сайт пользуется файлами cookie. Нажать здесь, чтобы больше узнать о файлах cookie и управлении их настройками.

Не показывать больше