You are browsing the website for customers from Slovakia. Based on location data, the suggested version of the page for you is
USA / US
Change country
x

UDALOSTI

2019-08-05

Zapojenie a programovanie RGB LED pásikov

Elektroluminiscenčné diódy (LED) čoraz častejšie nahrádzajú klasické svietidlá so žiarovkami, halogénmi či neónovými výbojkami. Sú v porovnaní s nimi omnoho úspornejšie, no tým ich výhody nekončia.

V tomto článku sa dozviete:

LED diódy sa často využívajú v systémoch osvetlenia, v ktorých sa využíva široká škála bielych diód. Stále častejšie sa však používajú farebné diódy, najmä pri osvetľovaní interiérov, pretože vytvárajú zaujímavé estetické efekty. Najpokročilejším riešením tohto typu sú RGB diódy, ktorých farbu je možné plynule ovládať a dosiahnuť prakticky každý odtieň viditeľného farebného svetla. Čo však treba vedieť o týchto produktoch?

Čo je LED dióda?

Elektroluminiscenčná dióda (LED) je polovodičovým svetelným zdrojom, ktorý emituje svetlo, keď cez ňu prechádza elektrický prúd. Elektróny v polovodiči rekombinujú s elektrónovými dierami uvoľňujúc tak energiu v podobe fotónov. Tento efekt sa nazýva elektroluminiscencia.

Farba emitovaného svetla zodpovedá energii emitovaných fotónov. Tá závisí od energie, ktorá je potrebná na prechod elektrónov cez PN prechod. Toto „pásmo“ sa niekedy nazýva energetická medzera a je veľmi dôležitým parametrom každého polovodiča. Farba LED diódy závisí od materiálu, ktorý sa na jej zhotovenie použije.

LED diódy sa na trhu objavili ako komerčne dostupné elektronické súčiastky v roku 1962. Prvé z nich emitovali infračervené svetlo nízkej intenzity. LED diódy pre infračervené svetlo sa používajú hlavne v obvodoch so vzdialeným ovládaním, napr. v domácej elektronike. Prvé výrobky vo viditeľnej oblasti spektra boli malej intenzity a obmedzené iba na červenú farbu. Boli vyrobené z materiálov ako fosfid galitý (GaP) a hliník-gálium-arzenid (AlGaAs).

Moderné LED diódy sú dostupné v rozsahu vlnovej dĺžky viditeľného, ultrafialového a infračerveného svetla. Vyznačujú sa vysokou účinnosťou emisie, vďaka čomu energeticky úsporným spôsobom produkujú veľa svetla. Takéto moderné produkty sa vyrábajú z polovodičových materiálov rôzneho druhu v závislosti od farby. V súčasnosti sa červené LED diódy vyrábajú použitím hliník-indium-gálium-fosfidu (AlInGaP), vďaka čomu sú účinnejšie ako súčiastky z GaP či AlGaAs. Modré a zelené LED diódy sa vyrábajú predovšetkým z nitridu gália a indium-gálium-nitridu (GaN a InGaN). Množstvo india určuje farbu – čím viac india, tým väčšia vlnová dĺžka svetla (napr. zelená).

Prečo sa používa RGB dióda?

RGB je aditívny model farieb, v ktorom sa červené (Red), zelené (Green) a modré (Blue) svetlo spája rôznymi spôsobmi pre vytvorenie širokej škály farieb. Názov modelu je odvodený priamo z anglických slov využívaných základných farieb. Hlavným použitím farebného modelu RGB je určovanie, reprezentovanie a zobrazovanie obrazov v elektronických systémoch ako televízory a počítače. Využíva sa aj v analógovej fotografii a v súčasnosti stále častejšie v systémoch osvetlenia. Pred epochou elektroniky mal farebný model RGB za sebou už solídnu teóriu opierajúcu sa o ľudské vnímanie farieb.

Miešanie červeného, zeleného a modrého svetla z LED zdrojov s cieľom vytvoriť farebné svetlo si vyžaduje dedikované elektronické systémy na kontrolu procesu miešania. Keďže rôzne LED diódy majú mierne odlišné emisné schémy, rovnováha farieb sa môže meniť v závislosti od zorného uhla, dokonca aj vtedy, ak sú zdroje RGB v tej istej stavbe. Vzhľadom na to sa RGB na vytvorenie bieleho svetla využíva len zriedkavo, ale často sa používa na získanie iných farieb. Táto metóda má mnoho použití vďaka flexibilite miešania rôznych farieb a vyznačuje sa vysokou energetickou efektivitou.

Viacfarebné LED diódy ponúkajú nový spôsob produkcie svetla rôznych farieb. Väčšinu dostupných farieb možno vytvoriť zmiešaním rôzneho množstva troch základných farieb: červenej, zelenej a modrej. Takto je možné presne a dynamicky kontrolovať získavanú farbu. Problémom, spojeným s používaním RGB diód pri presnom získavaní farieb v osvetľovacích systémoch, je, že so zmenou teploty sa mení energetická medzera polovodiča použitého na konštrukciu súčiastky. Zmena energetickej medzery je spojená so zmenou farby svietenia jednotlivých diód – červenej, zelenej a modrej – v štruktúre RGB. Tento problém nevzniká pri diódach s menším výkonom.

Ako sa nastavuje jas diódy, čiže modulácia PWM

Jas elektroluminiscenčnej diódy závisí od prúdu, ktorý cez ňu prechádza, a ktorý je možno regulovať rôznymi spôsobmi. Dvomi najjednoduchšími metódami takejto regulácie sú využitie riadeného prúdového zdroja alebo PWM modulátora.

Prúdový zdroj je elektronický obvod, ktorý dodáva alebo pohlcuje elektrický prúd nezávislý od jeho napätia. Existujú dva typy prúdových zdrojov. Nezávislý zdroj zabezpečuje konštantný prúd. Závislý zdroj dodáva postupne prúd, ktorý je úmerný k určitému napätiu alebo prúdu v obvode. Na ovládanie LED diód je, samozrejme, potrebný závislý zdroj. Väčšina reálnych prúdových zdrojov využíva súčiastku s kontrolou rezistancie (odporu) (napr. tranzistor MOSFET). Ten riadi tak, aby pokles napätia na súčiastke vynútil tok príslušného prúdu cez zaťaženie.

Chybou riešenia so stratovou súčiastkou, ktorá vynucuje tok, je nízka energetická efektívnosť. Pokles napätia na kontrolnej súčiastke môže byť dosť vysoký, predovšetkým pre malé nastavené prúdy. Navyše také riadenie, ktoré potrebuje analógový vstup – napr. riadiace napätie, je problematické v digitálnom systéme a vyžaduje si implementáciu ďalších súčiastok takých ako digitálno-analógový prevodník.

PWM, čiže impulzová šírková modulácia, je metóda znižovania priemerného zaťaženia dodávaného elektrickým signálom prostredníctvom delenia tohto signálu na samostatné časti, keď je zapnutý alebo vypnutý (bez akýchkoľvek prechodových stavov – ako v pravouhlom priebehu). Priemerná hodnota napätia (a prúdu) dodávaná do zaťaženia je kontrolovaná rýchlym zapínaním a vypínaním určeného druhu kľúča medzi napájaním a výkonom. Čím dlhšie je kľúč zapnutý v porovnaní s intervalmi vypnutia, tým väčší je celkový výkon dodávaný do zaťaženia.

PWM modulácia sa osvedčuje predovšetkým v chode s relatívne zotrvačnými zaťaženiami, takými ako motory, ktoré nie je diskrétnym prepínaním tak ľahko ovplyvniteľné. Z dôvodu zotrvačnosti preto reagujú pomalšie. Frekvencia prepínania PWM musí byť dostatočne vysoká, aby nemala vplyv na zaťaženie. V prípade RGB LED diód to nie je samotný prijímač – elektroluminiscenčná dióda – je zotrvačný, a ľudské oko, ktoré nespozoruje blikanie, keď priemeruje intenzitu svetla.

Rýchlosť (alebo frekvencia), pri ktorej musí kľúč prepínať zaťaženie, sa môže výrazne líšiť v závislosti od zaťaženia a použitia systému. V prípade LED diód optimálna frekvencia závisí od konkrétnej aplikácie. Horná hranica frekvencie je rýchlosť prepínania LED diódy. Čas prepínania štandardnej LED diódy je niekoľko sto až niekoľko tisíc nanosekúnd, čo sa prepočítava na frekvenciu prepínania od niekoľko sto kilohertzov do niekoľko megahertzov. Na druhej strane minimálna frekvencia prepípania je definovaná zotrvačnosťou ľudského zraku. Pri pohybujúcom sa objekte sa prijíma 200 hertzov ako minimálna frekvencia prepínania kľúča riadiaceho LED diódu.

Hlavnou výhodou využívania PWM modulácie je to, že úbytky výkonu v prepínacích zariadeniach sú veľmi malé. Ak je prepínač vypnutý, prúd prakticky netečie, a keď je kľúč zapnutý, pokles napätia na ňom je zanedbateľný. Úbytky výkonu, ktoré sú súčinom poklesu napätia a pretekajúceho prúdu, sú potom v oboch prípadoch malé. Navyše PWM funguje veľmi dobre s digitálnou kontrolou, ktorá vzhľadom na svoju povahu – používanie binárnej sústavy- ľahko kontroluje kľúč.

Čo sú LED pásy a RGB pásy s integrovanými ovládačmi

LED pás je elastická tlačená doštička, na ktorú sú privarené elektroluminiscenčné diódy pre povrchovú montáž (SMD diódy) a iné súčiastky nevyhnutné pre činnosť diód. Zvyčajne je vybavený lepiacim podkladom.

LED pásy boli v minulosti používané výlučne ako akcentované osvetlenie, podsvietenie, smerové a dekoračné osvetlenie. Vyššia účinnosť LED diód a dostupnosť produktov s vyšším výkonom umožnili využitie LED pásmi ako osvetlenia s vysokým jasom, ktoré účinne zastúpi objímky s fluorescenčnými či halogénovými žiarovkami.

Ďalšie LED pásy často využívané na osvetlenie sa vyskytujú vo verzii s viacfarebnými diódami: RGB, RGBW. Druhý z týchto pásov obsahuje ďalšiu, bielu (White) diódu, ktorá zaisťuje kvalitatívne dobré biele svetlo – viac v ďalšej časti článku. Ich ovládanie pomocou externých ovládačov by bolo komplikované vzhľadom na veľký počet potrebných pinov pre ovládanie dlhšieho pásu. Preto sa často na tento druh pásov používajú integrované ovládače.

Ovládanie pásov

Väčšina RGB LED pásov je skonštruovaná s využitím klasických RGB LED diód so štyrmi pinmi – spoločná anóda alebo katóda a jednotlivé piny pre každú z farieb. Vodiče nemôžme pripájať priamo na napájanie, keď je potrebný ovládač, vďaka ktorému môžeme ľahko meniť farbu. Okrem toho, že takéto riešenie umožňuje ovládať farbu – pričom treba mať na pamäti, že celý pás emituje tú istú farbu, čo môže limitovať flexibilitu použitia. V poslednom čase sa stále väčšej popularite teší riešenie, v ktorom sa okrem RGB LED diód na páse nachádzajú aj pre nich integrované ovládače, napr. systémy Worldsemi z rodiny WS28xx.

Treba tiež doplniť, že klasické RGB LED pásy sa ovládajú inak ako tie s ovládačmi. Vyplýva to najmä z toho, že pri zabudovaných integrovaných ovládačoch sa mení konštrukcia – na ovládanie sa používa iba jedna linka (DATA) a nie tri samostatné pre každú farbu. Na ovládanie je možné napr. použiť riešenie postavené na Arduino.

Pásy s usporiadaním z tejto skupiny nazývame zvyčajne programovateľné alebo inteligentné, keď samotný ovládač má formu integrovaného usporiadania, určeného na ovládanie LED diód. Obsahuje vnútorný číslicový latch dát zo vstupného portu, vlastnú individuálnu adresu, ale aj obvod kontroléra výkonu. Má tiež presný vnútorný oscilátor a stabilizátor napätia 12V pre LED diódy. S cieľom znížiť vibrácie v systéme sú jednotlivé PWM kanály ovládané s posunom fázy. Toto usporiadanie používa režim NZR komunikácie.

V NZR systéme sú obvody z rodiny WS28xx navzájom zapojené sériovo. Pin DIN je vstup údajov, a DO výstup. Údaje sú zapísané na pin DIN prvého ovládača v reťazci. Jeho DO je pripojené k DIN nasledujúceho atď. PO reštartovaní čipu linka DIN preberá údaje z kontroléra. Prvý digitálny obvod zbiera prvých 24 bitov údajov (trikrát po 8 bitov pre tri farby), a následne ich posiela do vnútorného latchu dát. Ostatné údaje sú posielané ďalej cez DO výstup.

Údaje na DO výstupe sú zhromažďované zabudovanými digitálnymi obvodmi, preto do ďalšieho ovládača prichádza vysokokvalitný priebeh. Zvyšuje to rozsah obvodu, keďže jedinými obmedzeniami pásu sú maximálna vzdialenosť medzi ovládačmi a počet dostupných adries.

V momente zaistenia údajov ovládačom, systém produkuje príslušné signály riadiace PWM na OUTR, OUTG a OUTB výstupoch, ktoré ovládajú červené, zelenú a modrú diódu v štruktúre pásu. Vďaka možnosti adresovania obvodov z rodiny WS28xx existuje možnosť individuálneho nastavenia farby a jasnosti RGB diódy, čo výrazne rozširuje možnosti. Napríklad – v pásoch využívajúcich takýto obvod môže každá dióda svietiť v inej farbe a s inou intenzitou, nezávisle na ostatných v páse.

Je dôležité tiež spomenúť, že sú dostupné aj kompletné riešenia obsahujúce v jednej konštrukcii aj RGB LED štruktúry, ako aj štruktúru adresovateľného integrovaného ovládača, čo zjednodušuje aplikácie a znižuje výsledné náklady tohto riešenia. Takéto diódy ponúka v ekonomickej verzii spoločnosť aj Liteon - diódy embedded vysokej kvality a opakovateľnosti.

Aký pás s ovládačom vybrať?

Na trhu je dostupných mnoho rôznych RGB LED pásov s integrovanými ovládačmi. Ide o pásy s rôznym výkonom a počtom diód, čo znamená aj rôznu úroveň jasu. Tento typ produktov má na jednom metri od 30 do 144 diód a vyznačuje sa maximálnym výkonom od 36W do 86,4W (v prepočte na 1 m pásu).

RGB LED pásy môžu byť napájané konštantným napätím 5V, 12V alebo 24V. Výber konkrétneho pásu diktuje napájacie napätie dostupné v konkrétnom systéme. Napríklad pre mikrokontrolérový systém je dokonalým pás napájaný napätím 5V, a v priemyselnom systéme pás napájaný napätím 24V. Pri výbere LED pásu pre priemyselné použitie treba zohľadňovať aj stupeň ochrany krytom. Ak si vyberieme model so stupňom IP65, môžeme počítať so spoľahlivosťou systému, pretože tento stupeň zaručuje prachotesnosť a ochranu proti vlhkosti.

RGB a RGBW – aké LED diódy vybrať?

Štandardný RGB LED pás využíva obvod zložený z troch diód (červenej, zelenej a modrej). Môže vytvárať širokú škálu farieb miešaním uvedených troch farieb a dodávať svetlo takmer biele, ale dokonca aj pri rozsvietení všetkých troch diód na maximálny jas, je získaná farba ďaleko od ideálu. Preto sa tiež používajú RGB LED + W pásy, ktoré využívajú štyri diódy: RGB LED a bielu elektroluminiscenčnú diódu.

Aj keď samotné RGB diódy môžu dosiahnuť farbu približujúcu sa bielej, dedikovaná biela dióda zabezpečuje v štruktúre oveľa čistejší biely tón a umožňuje použiť dodatočný teplý alebo studený biely čip. Okrem toho tento biely čip poskytuje ďalšie možnosti miešania farieb s RGB obvodmi a tým vytvára nekonečnú paletu unikátnych odtieňov.

linecard

Aby ste mohli prezerať produkty, zvoľte výrobcu alebo kategóriu

Quick Buy

?
symbol tovaru objednané množstvo
Prezrieť

Iné možnosti Quick Buy

paypal_help

Táto internetová strana používa súbory cookie. Kliknitesem, ak sa chcete dozvedieť viac o súboroch cookie a o ich nastaveniach.

Viackrát neukazovať