Drivning av flerfärgade LED-lampor

Ljusdioder (LED) är ett enkelt och kostnadseffektivt sätt att tillhandahålla statusinformation. I en del projekt räcker det dock inte med en LED-lampa med en färg, men det är svårt att ha flera LED-lampor på grund av platsbrist, kostnader eller strömbegränsningar. I dessa situationer ger flerfärgade LED-lampor en effektiv lösning om de kopplas korrekt till en mikrostyrenhet.

Den här artikeln förklarar grunderna för LED-lampor och diskuterar fördelarna med flerfärgade LED-lampor innan lämpliga flerfärgade LED-lösningar introduceras. Slutligen visar den hur LED-lamporna kan kopplas till en mikrostyrenhet för att ge upp till 16 miljoner olika färger.

Behandla LED-lampor som dioder

När en krets utformas med en LED är det viktigt att komma ihåg att dessa enheter inte är glödlampor utan halvledarenheter – dioder – som råkar avge ljus. Som dioder tillåter de normalt endast strömflöde i en riktning (dioder är inte idealiska, så de uppvisar ett litet strömflöde vid omvänd biasering).

Den ljusavgivande delen av en vanlig LED är en enkel halvledardiod mitt i enheten som består av en enkel p-n-koppling (figur 1). Strömflöden från LED-lampans anod, som är ansluten till p-typkisel, till LED-lampans katod, som är ansluten till n-typkisel. I vanliga dioder består p-n-mellanskiktet normalt av germanium (Ge) eller kisel (Si). För LED-lampor består mellanskiktet dock normalt av genomskinligt halvledarmaterial av galliumarsenidfosfid (GaAsP) eller galliumfosfid (GaP).

Figur 1: En LED-enhet rymmer halvledar-p-n-skiktinsatsen, som låter strömmen flöda från anoden till katoden. Ett genomskinligt hus med en lins gör att det resulterande avgivna ljuset lätt kan ses av användaren. (Bildkälla: Wikipedia)

Med genomskinligt GaAsP eller GaP frigör framåtspänningen över p-n-mellanskiktet fotoner från halvledaren. p-n-skiktet monteras på en reflekterande hålighet som fokuserar fotonerna mot LED-lampans lins. Linsen och huset på LED-lampan består av klart epoximaterial som kan färgas för att matcha färgen hos det avgivna ljuset som tillval.

Den reflekterande håligheten vilar på en ram som kallas städ och katoden är ansluten med en ledning till en ram som kallas stift. Städet och post är formade så att de bildar en stark anslutning till LED-epoxikroppen så att anod- eller katodstiften inte kan dras ut ur LED-epoxikroppen och förstöra LED-lampan.

Enfärgade LED-lampor

Diodlampor finns i många färger, inklusive rött, grönt, gult, orange, cyan, rosa, lila och mer nyligen vitt och blått. Enfärgade LED-lampor har en halvledarinsats som består av ett material som genererar den önskade ljusvåglängden, med LED-epoxihuset ofta i samma färg. Även om det inte är nödvändigt att linsen har samma färg som det avgivna ljuset är det viktigt för enkel identifiering av färgen på LED-komponenten för att förhindra fördröjningen med andra diodlampor.

Flerfärgade LED-lampor

För vissa system där utrymme, kostnad och effekt är begränsande faktorer är det en fördel att ha en diodlampa som kan avge mer än en färg. Normalt har dessa flerfärgade LED-lampor tre lysdioder, en röd, en grön, och en blå (RGB) inuti ett klart epoxihus. Ett bra exempel är Adafruit Industries 2739 RGB LED (figur 2). Den är konstruerad för flerfärgade indikatorlampor, har en utsläppsyta med rektangulär lins med 2,5 mm bredd och 5 mm höjd och levereras med radiala ledare för montering genom hål på kretskort.

Figur 2: Adafruit 2739 RGB LED har en rektangulär klar epoxilins med 2,5 mm bredd och 5 mm höjd. Den levereras med radiala ledare för montering genom hål på kretskort. (Bildkälla: Adafruit Industries)

Normalt kan vilken som helst av de tre interna lysdioderna användas enskilt eller i kombination med de andra för att skapa olika färger.

Flerfärgade RGB-lysdioder finns normalt med tre pinoutvarianter:

1. En gemensam anod för alla lysdioder med varje enskild katod tillgänglig för totalt fyra stift
2. En gemensam katod för alla lysdioder med varje enskild anod tillgänglig för totalt fyra stift
3. Varje enskild anod och katod är kopplad till totalt sex stift

Design med flerfärgade lysdioder

Adafruit 2739 RGB LED har en gemensam anod med var och en av katoderna för de röda, gröna och blå lysdioderna som var och en är kopplad till totalt fyra stift (figur 3). Den gemensamma anoden är ansluten till den positiva strömförsörjningen, medan var och en av de individuella röda, gröna och blå ljusdioderna slås på genom att ansluta dem till jord.

Figur 3: Adafruit 2739 RGB LED har en gemensam anod med en separat katod för de röda, gröna och blå ljusdioderna. (Bildkälla: Adafruit Industries)

Generera flera färger

Om en tillämpning endast kräver att en av tre statusar visas är det enklaste sättet att använda 2739 RGB LED att bara slå på en ljusdiod i taget, vilket ger användaren ett val mellan rött, grönt eller blått.

För större färgvariation kan en konstruktör enkelt kombinera två färger och få följande sex färgalternativ:

• Röd
• Grön
• Blå
• Gul (röd + grön)
• Cyan (grön + blå)
• Magenta (röd + blå)

För tydlig projektdokumentation ska de visade färgerna vara tydliga, enkla att känna igen och enkel att identifiera verbalt. Till exempel kan en grön ljusdiod med full ström dokumenteras i ett LED-datablad som "lime". När LED-lampan tänds skulle dock de flesta konsumenter och utvecklare kalla färgen "grön". Oavsett färgens faktiska namn ska användarna lätt kunna särskilja mellan de olika färgerna både visuellt och på etiketten. Få människor kan snabbt identifiera skillnaden mellan grön och lime och om båda färgerna visas sida vid sida kan "lime" identifieras som "grön" och "grön" som "mörkgrön".

I mer komplexa tillämpningar kan RGB-kombinationerna varieras i intensitet för att generera upp till 16 miljoner färger. En tillförlitlig metod för att göra detta är att tillämpa en pulsbreddsmodulerad (PWM) signal till var och en av ljusdioderna, där arbetscykeln motsvarar intensiteten. Det mänskliga ögat kan identifiera flimmer på 200 hertz (Hz) eller lägre, så för att undvika flimmer ska en PWM-frekvens på 1000 Hz eller snabbare användas.

Färger kan enkelt väljas med sin RGB-färgkod. Den baseras på RGB additiv färgblandningmodell där rött, grönt och blått ljus enskilt varieras i intensitet och kombineras för att återskapa nästan alla färger. Den här modellen gäller ljus och är basen för färgåtergivning i TV-apparater och displayer. Den används även för att representera färger på webbplatser.

En RGB-färgkod framställs som (R,G,B) där R, G och B är decimalvärdena för färgens röd-, grön- och blåintensitet i området 0 till 255. Till exempel är decimal-RGB-färgkoden för blått (0,0,255), lila är (128,0,128) och silver är (192,192,192). När PWM-driftcykeln för varje färg avgörs delas dessa värden med 255, så driftcykelvärdena för blått skulle vara (0,0,100%), lila är (50%,0,50%) och silver är (75%,75%,75%).

Teoretiskt sett motsvaras vitt ljus av (255,255,255) och kan genereras genom att slå på de röda, gröna och blås lysdioderna med full intensitet samtidigt. I praktiken är dock färgen som uppstår med den här metoden vitt med en blåaktig ton. Den här färgningen uppstår på grund av att de genererade LED-färgerna inte exakt motsvarar de precisa våglängderna för perfekt röd, grön och blå.

De nödvändiga PWM-signalerna genereras enkelt med en mikrostyrenhet. Ett lämpligt exempel är ATSAMC21J18A from Microchip Technology (figur 4). Det här är en lågeffektenhet för IoT-slutpunkter och är en del av företagets SAM C21-mikrostyrenhetsfamilj. Den har en 48 MHz Arm® Cortex®-M0+-kärna och stödjer 5 volt för I/O.

Figur 4: Mikrostyrenhet ATSAMC21J18A har timer/räknarenheter som kan automatgenerera tre synkrona PWM-signaler. (Bildkälla: Microchip Technology)

För att driva lysdioderna har ATSAMC21J18A timer/räknarenheter som kan automatgenerera tre synkrona PWM-signaler. SAM C21-familjen har ett högsänkningsalternativ som gör att fyra I/O-stift vart och ett kan sjunka maximalt 20 milliampere (mA).

När en lysdiod används är det viktigt att välja rätt seriekopplad resistor för att begränsa strömflödet. En resistor med för lågt värde kan förstöra lysdioden medan en resistor med för högt värde kan ge svagt eller inget ljus. Värdet för det seriekopplade resistorn avgörs av varje ljusdiods framspänning och önskat strömflöde.

Lysdioder är strömreglerade halvledare. Det är även viktigt att notera att på grund av materialens fysiska egenskaper ökar ljusdiodens driftspänning i takt med att det avgivna ljusets våglängd sjunker. Det här är en viktig faktor att tänka på när du använder flera ljusdioder.

Med en framström på 20 mA för Adafruit 2739 RGB LED är de specificerade typiska LED-framspänningarna från Adafruits diagram 2 volt för rött och 3,2 volt för både grönt och blått.

Om den gemensamma anoden ansluts till 5 volt avgörs resistorvärdena mellan ljusdioderna och I/O-stiften av ekvationen:

Ekvation 1

Där:

V_DD = 5 volt

V_OL = Utgående lågspänning för ATSAMC21J18A = 0,1 x V_DD = 0,5 volt

V_F = framspänning (typisk)

I = framström i ampere

R = motstånd i ohm (Ω)

Om formeln tillämpas för I = 20 mA ger det R_RÖD (V_F = 2 volt) = 125 Ω och R_GRÖN = R_BLÅ (V_F = 3,2 volt) = 65 Ω.

Om ett beräknat motstånd inte är tillgängligt som standardresistorvärde kan utvecklaren antingen välja nästa lägre värde eller nästa högre värde (rekommenderas). Om ett lägre värde väljs måste du vara försiktig så att du inte överskrider den maximala framspänningen för LED-lampan eller den maximala strömsänkningsförmågan för ATSAMC21J18As I/O-port. Medan LED fortfarande kan fungera om dessa maximala värden överskrids finns en risk att minska LED-lampans livslängd eller att med tiden försämra eller förstöra I/O-porten. Alternativt kan framströmmen minskas om det svagare ljuset fortfarande är acceptabelt för tillämpningen. Till exempel, med en framström på 15 mA sjunker de angivna framspänningarna för Adafruit 2739 RGB LED till 1,9 volt för rött och 3,1 volt för både grönt och blått. Det leder till resistorvärdena R_RÖD = 173,3 Ω och R_GRÖN = R_BLÅ = 93,3 Ω.

Eftersom ATSAMC21J18A skulle styra ljusdioderna genom att styra anslutningen till jord är en enskild ljusdiod på när I/O-porten är logiskt låg och av när den är logiskt hög. Av den här anledningen måste de beräknade arbetscyklerna för RGB-färgkoderna inverteras. Om en färg till exempel kräver 25 % arbetscykel måste PWM generera en 75-procentig arbetscykel för att ljusdioden ska vara på 25 % av periodtiden. Om ljusdioden måste vara avstängd vid start måste mikrostyrenhetens startkod möjliggöra att de ter stiften är logiskt höga.

ATSAMC21J18A levereras med 256 kbyte flashminne, 32 kbyte RAM och ett urval av analoga kringenheter. Mikrostyrenheten har dessutom sex seriekommunikationsmoduler (SERCOM) som var och en kan fungera som USART, SPI, LIN-slav eller I²C-gränssnitt.

Smart RGB LED

Ett alternativt sätt att generera flera färger med en RGB LED är att programmera den. Smart LED är en term som används för att beskriva den här typen av flerfärgad LED-lampa som levereras med ett programmerbart seriegränssnitt. Ett bra exempel är American Bright Optoelectronics BL-HBGR32L-3-TRB-8, en 5 mm kvadratisk RGB LED som kan programmeras för att generera valfri färg med ett 800 kilohertz (kHz) I²C-gränssnitt (figur 5).

Figur 5: American Brights BL-HBGR32L-3-TRB-8 är en 5 mm kvadratisk sexstiftig digital RGB LED med en I²C genomförings-pinout om gör att flera enheter kan kedjekopplas till samma I²C-gränssnitt. (Bildkälla: American Bright Optoelectronics Corp.)

Det praktiska I²C-gränssnittet förenklar konstruktionsarbetet avsevärt genom att spara kortutrymme och förenkla mikrostyrenhetskoden. En av SERCOM-portarna på ATSAMC21J18A kan konfigureras som ett I²C-seriegränssnitt för att enkelt ansluta till BL-HBGR32L-3-TRB-8. I stifttabellen i figur 5 visas att I²C-datasignalen från mikrostyrenheten ATSAMC21J18A är ansluten till stift 1 Data In-signalen och I²C-klockan till stift 2 Klocka in.

Färgen på LED-lampan BL-HBGR32L-3-TRB-8 LED programmeras genom att skicka fyra byte som motsvarar den globala ljusstyrkeinställningen och RGB-färgkoderna som ett 32-bitarsord. Den smarta LED-lampan har datautgång på stift 6 samt en I²C-klockgenomföring på stift 5. Det gör det möjligt för flera LED-lampor att kedjekopplas tillsammans så att varje LED-lampa kan visa en annan färg.

Slutsatser

Med förståelse för hur de drivs kan flerfärgade RGB LED-lampor spara utrymme, kostnad och effekt samtidigt som estetiken och användargränssnittet förbättras i ett slutsystem, en enhet, en statusindikator eller ett belysningssystem. Utvecklare kan välja mellan standard-RGB-LED-lampor som tillåter fullständig kontroll över varje LED-lampa eller smart-LED-lampa som ger programmerbar kontroll över färgerna. Det finns även många alternativ med låg effekt eller låg kostnad när det gäller de mikrostyrenheter som normalt används för att generera PWM-styrsignaler.