Funkcje diod LED RGB
Zmieniające się kolory podświetlenia wyglądają spektakularnie. Stosuje się je do oświetlania obiektów reklamowych, dekoracyjnego oświetlania obiektów architektonicznych, podczas różnego rodzaju pokazów i imprez publicznych. Jednym ze sposobów realizacji takiego oświetlenia jest zastosowanie trójkolorowych diod LED.
Co to jest dioda RGB-LED
Konwencjonalne półprzewodnikowe urządzenia emitujące światło mają pojedyncze złącze p-n w pojedynczym pakiecie lub matrycę wielu identycznych złączy (Technologia COB). Dzięki temu w danym momencie może być wytwarzany tylko jeden kolor, bezpośrednio z rekombinacji nośników głównych lub z wtórnej luminescencji luminoforu. Druga technologia dała konstruktorom szeroki zakres możliwości wyboru koloru luminescencji, ale urządzenie nie może zmieniać koloru promieniowania podczas pracy.
Dioda LED RGB zawiera w jednej obudowie trzy złącza p-n o różnych kolorach świecenia:
- Czerwony;
- zielony;;
- Niebieski.
Skróty angielskich nazw poszczególnych kolorów dały nazwę temu typowi diod LED.
Typy diod LED RGB
Trójkolorowe diody LED ze względu na sposób połączenia kryształów wewnątrz obudowy dzielą się na trzy typy:
- ze wspólną anodą (mają 4 styki);
- Ze wspólną katodą (mają 4 styki);
- z oddzielnymi elementami (mają 6 styków).
Konstrukcja diody LED zależy od sposobu sterowania urządzeniem.
W zależności od typu soczewki, diody LED mogą być:
- z przezroczystą soczewką;
- z matową soczewką.
W przypadku elementów RGB z przezroczystą soczewką do uzyskania mieszanych kolorów mogą być wymagane dodatkowe dyfuzory światła. W przeciwnym razie można dostrzec poszczególne kolory.
Zasada działania
Diody LED RGB działają na zasadzie mieszania kolorów. Dzięki kontrolowanemu oświetleniu jednego, dwóch lub trzech elementów można uzyskać różne kolory.
Przełączanie poszczególnych kryształów daje trzy odpowiadające im kolory. Przełączanie parami pozwala uzyskać luminescencję:
- czerwone+zielone złącza p-n dadzą w końcu kolor żółty;
- niebieski+zielony daje kolor turkusowy;
- czerwony+niebieski tworzy purpurę.
W wyniku połączenia wszystkich trzech elementów powstaje kolor biały.
Mieszanie kolorów w różnych proporcjach jest o wiele bardziej możliwe. Można to zrobić, sterując jasnością każdego kryształu osobno. W tym celu należy indywidualnie regulować natężenie prądu płynącego przez diody LED.
Schemat sterowania i połączeń diod LED RGB
Diody RGB-LED są sterowane w taki sam sposób jak tradycyjne diody LED - przez podanie bezpośredniego napięcia anoda-katoda i wygenerowanie prądu przez złącze p-n. Dlatego konieczne jest podłączenie elementu trójkolorowego do zasilania za pomocą rezystorów balastowych - każdy kryształ za pomocą własnego rezystora. Aby obliczyć Można to obliczyć na podstawie prądu znamionowego elementu i napięcia roboczego.
Nawet w przypadku połączenia w tej samej obudowie różne kryształy mogą mieć różne parametry, dlatego nie wolno ich łączyć równolegle.
Typowa charakterystyka trójkolorowego urządzenia małej mocy o średnicy 5 mm jest przedstawiona w poniższej tabeli.
| Czerwony (R) | Zielony (G) | Niebieski (B) | |
| Maksymalne napięcie stałe, V | 1,9 | 3,8 | 3,8 |
| Prąd znamionowy, mA | 20 | 20 | 20 |
Widać, że czerwony kryształ ma napięcie stałe dwukrotnie niższe niż dwa pozostałe. Połączenie elementów równolegle spowoduje uzyskanie innej jasności lub uszkodzenie jednego lub wszystkich złączy p-n.
Stałe podłączenie do źródła zasilania nie pozwala na wykorzystanie pełnego potencjału ogniwa RGB. W trybie statycznym urządzenie trójkolorowe działa jedynie jako urządzenie monochromatyczne i kosztuje znacznie więcej niż zwykła dioda LED. Dlatego znacznie ciekawszy jest tryb dynamiczny, w którym można sterować kolorem poświaty. Jest to realizowane za pomocą mikrokontrolera. Jego wyjścia w większości przypadków dostarczają prąd wyjściowy o wartości 20 mA, ale należy to każdorazowo sprawdzić w arkuszu danych. Dioda LED powinna być podłączona do portów wyjściowych za pomocą rezystora ograniczającego prąd. Wariant kompromisowy przy zasilaniu układu z napięcia 5 V - rezystancja 220 Ω.
Elementy o wspólnych katodach są sterowane przez wysłanie na wyjście jednostki logicznej, o wspólnych anodach - logicznego zera. Polaryzację sygnału sterującego można łatwo zmienić za pomocą oprogramowania. Diody LED z oddzielnymi wyjściami mogą być połączyć się z i może być kontrolowany w dowolny sposób.
Jeśli wyjścia mikrokontrolera nie są dostosowane do prądu znamionowego diody LED, diody LED należy podłączyć za pomocą przełączników tranzystorowych.
W tych układach oba typy diod LED są zapalane przez podanie dodatniego poziomu na wejścia klawiszy.
Wspomniano już, że jasność jest regulowana przez zmianę natężenia prądu przepływającego przez element emitujący światło. Styki cyfrowe mikrokontrolera nie mogą bezpośrednio sterować prądem, ponieważ mają dwa stany - wysoki (odpowiadający napięciu zasilania) i niski (odpowiadający zeru napięcia). Nie ma pozycji pośrednich, więc stosuje się inne sposoby regulacji prądu. Na przykład metoda modulacji sygnału sterującego PWM (Pulse Width Modulation). Polega to na tym, że do diody LED nie jest doprowadzane stałe napięcie, lecz impulsy o określonej częstotliwości. Mikrokontroler zgodnie z programem zmienia stosunek impulsów i pauz. Powoduje to zmianę średniego napięcia i średniego prądu przepływającego przez diodę LED, podczas gdy amplituda napięcia pozostaje niezmieniona.
Istnieją specjalistyczne sterowniki przeznaczone specjalnie do sterowania oświetleniem trójkolorowych diod LED. Są one sprzedawane w postaci gotowych urządzeń. Wykorzystują one również metodę PWM.
Rozkład pinów
W przypadku nowej, nielutowanej diody LED, przyporządkowanie styków można określić wizualnie. W obu typach połączeń (wspólna anoda lub wspólna katoda) przewód podłączony do wszystkich trzech elementów ma największą długość. Jeśli obrócisz obudowę tak, aby najdłuższa noga znajdowała się po lewej stronie, przewód "czerwony" znajdzie się po lewej stronie, a przewód "zielony" najpierw po prawej, a następnie "niebieski". Jeśli dioda LED była już używana, jej piny mogły zostać dowolnie skrócone i trzeba będzie skorzystać z innych metod, aby ustalić rozmieszczenie pinów:
- Przewód wspólny można wyznaczyć za pomocą wskaźnika multimetr. Przełącz urządzenie w tryb testu diody i podłącz zaciski urządzenia do zakładanego wspólnego pinu oraz do dowolnego innego pinu, a następnie odwróć polaryzację (jak w normalnym teście złącza półprzewodnikowego). Jeśli założony wspólny przewód jest prawidłowy, tester pokaże nieskończoną rezystancję w jednym kierunku i skończoną rezystancję w drugim kierunku (dokładna wartość zależy od typu diody LED). Jeżeli w obu przypadkach na wyświetlaczu testera pojawi się sygnał o uszkodzeniu, oznacza to, że wyjście jest nieprawidłowe i test należy powtórzyć z drugą nogą. Może się zdarzyć, że napięcie testowe multimetru jest wystarczające do zapalenia kryształu. W takim przypadku można dodatkowo sprawdzić, czy przyporządkowanie styków jest prawidłowe, obserwując kolor świecenia złącza p-n.
- Innym sposobem jest podanie zasilania na zakładany wspólny pin i dowolną inną nóżkę diody LED. Jeśli punkt wspólny został wybrany prawidłowo, można to sprawdzić, sprawdzając świecenie kryształu.
Ważne! Podczas testowania z użyciem zasilacza należy płynnie podnosić napięcie od zera, nie przekraczając 3,5-4 V. Jeśli nie jest dostępne źródło regulowane, diodę LED można podłączyć do wyjścia napięcia stałego za pomocą rezystora ograniczającego prąd.
W przypadku diod LED z oddzielnymi wyjściami, przyporządkowanie pinów sprowadza się do ustalenie biegunowości oraz ułożenie kryształów według kolorów. Można to również zrobić za pomocą wymienionych metod.
Warto się z nimi zapoznać:
Zalety i wady diod LED RGB
Diody LED RGB mają wszystkie zalety półprzewodnikowych elementów emitujących światło. Są to niskie koszty, wysoka sprawność energetyczna, długi okres eksploatacji itp. Szczególną zaletą trójkolorowych diod LED jest możliwość uzyskania niemal dowolnego odcienia światła w prosty sposób i przy niskich kosztach, a także zmiana koloru w czasie.
Główną wadą diod LED RGB jest niemożność uzyskania czystego białego koloru poprzez mieszanie trzech kolorów. Wymagałoby to siedmiu odcieni (przykładem może być tęcza - jej siedem kolorów jest wynikiem odwrotnego procesu: rozkładu światła widzialnego na jego składniki). Nakłada to ograniczenia na stosowanie opraw trójkolorowych jako elementów oświetleniowych. Aby nieco zrekompensować tę nieprzyjemną cechę, przy tworzeniu taśm LED stosuje się zasadę RGBW. Dla każdej trójkolorowej diody LED jest zainstalowany jeden element świecący na biało (dzięki luminoforowi). Jednak koszt takiego urządzenia oświetleniowego znacznie wzrasta. Dostępne są również diody LED RGBW. W organizmie mają zainstalowane cztery kryształy - trzy dla kolorów oryginalnych, czwarty - do wytwarzania światła białego, emituje światło przez luminofor.
Okres użytkowania
Czas życia urządzenia trójkryształowego jest określony przez MTBF najkrótszego elementu. W tym przypadku jest on w przybliżeniu taki sam dla wszystkich trzech złączy p-n. Producenci deklarują żywotność elementów RGB na poziomie 25 000-30 000 godzin. Dane te należy jednak traktować z ostrożnością. Deklarowana żywotność odpowiada 3-4 latom ciągłej pracy. Jest mało prawdopodobne, aby jakikolwiek producent przeprowadził testy trwałości (a nawet w różnych trybach termicznych i elektrycznych) przez tak długi okres czasu. W tym czasie pojawiają się nowe technologie, testy trzeba zaczynać od nowa - i tak w nieskończoność. Okres gwarancji jest o wiele bardziej informacyjny. Wynosi ona 10 000-15 000 godzin. Wszystko poza tym to w najlepszym wypadku modelowanie matematyczne, a w najgorszym czysty marketing. Problem polega na tym, że zwykłe, niedrogie diody LED zwykle nie mają informacji o gwarancji producenta. Można jednak dążyć do 10 000-15 000 godzin i mieć na uwadze mniej więcej tyle samo. Poza tym wszystko zależy od szczęścia. I jeszcze jedno - okres eksploatacji zależy w dużym stopniu od warunków termicznych panujących podczas pracy. Dlatego ten sam element w różnych warunkach będzie działał przez różną ilość czasu. Aby przedłużyć żywotność diod LED, należy zwrócić uwagę na odprowadzanie ciepła, nie zaniedbywać grzejników i stworzyć warunki do naturalnej cyrkulacji powietrza, a w niektórych przypadkach uciec się do wymuszonej wentylacji.
Jednak nawet w tym skróconym okresie można liczyć na kilka lat eksploatacji (ponieważ diody LED nie będą działać bez przerw). Dlatego pojawienie się trójkolorowych diod LED pozwala projektantom na szerokie zastosowanie półprzewodników w ich pomysłach, a inżynierom na realizację tych pomysłów "z żelaza".
