RGB-LED-Funktion
Die farbwechselnde Beleuchtung sieht spektakulär aus. Es wird für Werbeobjekte, dekorative Beleuchtung von architektonischen Objekten, während der verschiedenen Shows und öffentlichen Veranstaltungen verwendet. Eine Möglichkeit, eine solche Beleuchtung zu realisieren, ist die Verwendung von dreifarbigen LEDs.
Was ist eine RGB-LED
Herkömmliche lichtemittierende Halbleiter haben einen einzigen p-n-Übergang in einem einzigen Gehäuse oder eine Matrix aus mehreren identischen Übergängen (COB-Technik). Auf diese Weise kann zu jedem Zeitpunkt eine einzige Farbe erzeugt werden, entweder direkt durch die Rekombination der Hauptladungsträger oder durch die Sekundärlumineszenz des Leuchtstoffs. Die zweite Technologie hat den Entwicklern eine breite Palette von Möglichkeiten für die Wahl der Farbe der Lumineszenz gegeben, aber das Gerät kann die Farbe der Strahlung während des Betriebs nicht ändern.
Die RGB-LED enthält drei p-n-Übergänge in einem Gehäuse, die in verschiedenen Farben leuchten:
- Rot;
- grün;;
- Blau.
Die Abkürzung der englischen Namen der einzelnen Farben und gab den Namen dieser Art von LED.
RGB-LED-Typen
Tricolor-LEDs werden aufgrund der Art und Weise, wie die Kristalle im Inneren des Gehäuses verbunden sind, in drei Typen unterteilt:
- mit einer gemeinsamen Anode (mit 4 Stiften);
- Mit einer gemeinsamen Kathode (mit 4 Stiften);
- mit separaten Elementen (mit 6 Stiften).
Das Design der LED hängt davon ab, wie das Gerät gesteuert wird.
Je nach Art der Linse können die LEDs sein:
- mit einer transparenten Linse;
- mit einer mattierten Linse.
Bei RGB-Elementen mit einer transparenten Linse können zusätzliche Lichtdiffusoren erforderlich sein, um Mischfarben zu erzeugen. Ansonsten sind einzelne Farben zu sehen.
Prinzip der Arbeitsweise
Die RGB-LEDs funktionieren nach dem Prinzip der Farbmischung. Durch kontrollierte Beleuchtung von einem, zwei oder drei Elementen können verschiedene Farben erzielt werden.
Wenn man die Kristalle einzeln umschaltet, erhält man drei entsprechende Farben. Durch paarweises Schalten wird Lumineszenz erreicht:
- rot+grüne p-n-Übergänge ergeben schließlich eine gelbe Farbe;
- Blau+Grün ergibt Türkis;
- rot+blau ergibt lila.
Die Einbeziehung aller drei Elemente ergibt Weiß.
Das Mischen von Farben in unterschiedlichen Anteilen ist viel besser möglich. Dazu kann die Helligkeit der einzelnen Kristalle getrennt gesteuert werden. Dazu muss der Strom, der durch die LEDs fließt, individuell eingestellt werden.
RGB-LED-Steuerung und Anschlussplan
RGB-LEDs werden auf die gleiche Weise wie herkömmliche LEDs angesteuert - durch Anlegen einer Anoden-Kathoden-Gleichspannung und Erzeugung eines Stroms durch einen p-n-Übergang. Daher ist es erforderlich, das Tricolor-Element über Ballastwiderstände an die Stromversorgung anzuschließen - jeden Kristall über einen eigenen Widerstand. Zur Berechnung Diese kann über den Nennstrom des Elements und die Betriebsspannung berechnet werden.
Selbst wenn sie in einem Gehäuse kombiniert sind, können verschiedene Quarze unterschiedliche Parameter haben, so dass sie nicht parallel geschaltet werden dürfen.
Typische Merkmale für ein dreifarbiges Gerät mit geringer Leistung und einem Durchmesser von 5 mm sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.
| Rot (R) | Grün (G) | Blau (B) | |
| Maximale Gleichspannung, V | 1,9 | 3,8 | 3,8 |
| Nennstrom, mA | 20 | 20 | 20 |
Es ist offensichtlich, dass der rote Kristall eine doppelt so niedrige Gleichspannung hat wie die beiden anderen. Eine Parallelschaltung der Elemente führt zu unterschiedlicher Helligkeit oder zum Ausfall eines oder aller p-n-Übergänge.
Durch den ständigen Anschluss an eine Stromversorgung kann das volle Potenzial der RGB-Zelle nicht ausgeschöpft werden. Im statischen Modus fungiert ein dreifarbiges Gerät lediglich als monochromes Gerät und kostet erheblich mehr als eine herkömmliche LED. Viel interessanter ist daher der dynamische Modus, bei dem die Farbe des Leuchtens gesteuert werden kann. Dies wird mit Hilfe eines Mikrocontrollers realisiert. Seine Ausgänge liefern in den meisten Fällen einen Ausgangsstrom von 20 mA, was jedoch jedes Mal im Datenblatt überprüft werden muss. Schließen Sie die LED mit einem Strombegrenzungswiderstand an die Ausgänge an. Kompromissvariante bei Versorgung des Chips aus 5 V - 220 Ohm Widerstand.
Elemente mit gemeinsamen Kathoden werden durch Senden einer Logikeinheit an den Ausgang gesteuert, mit gemeinsamen Anoden - Logik Null. Die Polarität des Steuersignals lässt sich einfach per Software ändern. LEDs mit separaten Ausgängen können verbinden mit und kann in jeder Weise kontrolliert werden.
Wenn die Ausgänge des Mikrocontrollers nicht für den Nennstrom der LED ausgelegt sind, müssen die LEDs über Transistorschalter angeschlossen werden.
Bei diesen Schaltungen werden beide Arten von LEDs durch Anlegen eines positiven Pegels an die Tasteneingänge zum Leuchten gebracht.
Es wurde bereits erwähnt, dass die Helligkeit durch Änderung des Stroms durch das lichtemittierende Element gesteuert wird. Die digitalen Pins des Mikrocontrollers können den Strom nicht direkt steuern, da sie zwei Zustände haben - high (entsprechend der Versorgungsspannung) und low (entsprechend der Nullspannung). Da es keine Zwischenpositionen gibt, werden andere Möglichkeiten der Stromregulierung genutzt. Zum Beispiel die Methode der Pulsweitenmodulation (PWM) zur Modulation des Steuersignals. Die Idee ist, dass die LED nicht mit einer konstanten Spannung versorgt wird, sondern mit Impulsen einer bestimmten Frequenz. Der Mikrocontroller ändert je nach Programm das Verhältnis von Impuls und Pause. Dadurch ändern sich die durchschnittliche Spannung und der durchschnittliche Strom durch die LED, während die Spannungsamplitude unverändert bleibt.
Es gibt spezielle Steuergeräte, die speziell für die Steuerung der Beleuchtung von Dreifarben-LEDs entwickelt wurden und als handelsübliche Geräte verkauft werden. Sie verwenden ebenfalls die PWM-Methode.
Pinout
Wenn eine neue, nicht verlötete LED vorhanden ist, kann die Pinbelegung visuell bestimmt werden. Bei beiden Anschlussarten (gemeinsame Anode oder gemeinsame Kathode) hat die Leitung, die mit allen drei Elementen verbunden ist, die größte Länge. Wenn Sie das Gehäuse so drehen, dass der längste Schenkel auf der linken Seite liegt, befindet sich die "rote" Leitung auf der linken Seite und die "grüne" Leitung auf der rechten Seite, dann die "blaue" Leitung. Wenn die LED bereits in Gebrauch war, können ihre Pins willkürlich gekürzt worden sein, und Sie müssen auf andere Methoden zurückgreifen, um die Pinbelegung zu ermitteln:
- Es ist möglich, den gemeinsamen Draht mit Hilfe eines ein Multimeter. Schalten Sie das Gerät in den Diodentestmodus und verbinden Sie die Klemmen des Geräts mit dem angenommenen gemeinsamen Anschluss und mit einem beliebigen anderen Anschluss, kehren Sie dann die Polarität um (wie bei einem normalen Halbleiterübergangstest). Wenn die angenommene gemeinsame Leitung korrekt ist, zeigt das Prüfgerät einen unendlichen Widerstand in einer Richtung und einen endlichen Widerstand in der anderen Richtung an (der genaue Wert hängt vom LED-Typ ab). Wenn in beiden Fällen auf dem Display des Prüfgeräts ein Unterbrechungssignal angezeigt wird, ist der Ausgang falsch und der Test muss mit dem anderen Bein wiederholt werden. Es kann vorkommen, dass die Prüfspannung des Multimeters ausreicht, um den Kristall zu zünden. In diesem Fall können Sie zusätzlich anhand der Farbe des Aufleuchtens des p-n-Übergangs prüfen, ob die Anschlussbelegung korrekt ist.
- Eine andere Möglichkeit besteht darin, den angenommenen gemeinsamen Pin und ein beliebiges anderes Bein der LED mit Strom zu versorgen. Wenn der gemeinsame Punkt richtig gewählt ist, können Sie dies anhand des Glühens des Kristalls überprüfen.
Wichtig! Beim Testen mit einem Netzteil müssen Sie die Spannung gleichmäßig von Null anheben und dürfen 3,5-4 V nicht überschreiten. Wenn keine geregelte Quelle zur Verfügung steht, kann die LED über einen Strombegrenzungswiderstand an den Gleichspannungsausgang angeschlossen werden.
Bei LEDs mit separaten Ausgängen ergibt sich die Pinbelegung wie folgt Herausfinden der Polarität und die Anordnung der Kristalle nach Farben. Dies kann auch mit den aufgeführten Methoden geschehen.
Es ist sinnvoll, sich mit ihnen vertraut zu machen:
Vor- und Nachteile von RGB-LEDs
RGB-LEDs haben alle Vorteile von lichtemittierenden Halbleiterelementen. Sie zeichnen sich durch niedrige Kosten, hohe Energieeffizienz, lange Lebensdauer usw. aus. Ein entscheidender Vorteil der dreifarbigen LEDs ist die Möglichkeit, auf einfache Weise und zu geringen Kosten fast jeden Lichtton zu erhalten, sowie die Farbänderung im Laufe der Zeit.
Der größte Nachteil von RGB-LEDs ist die Unmöglichkeit, durch Mischen der drei Farben eine rein weiße Farbe zu erzeugen. Dazu wären sieben Farbtöne erforderlich (ein Beispiel dafür ist der Regenbogen - seine sieben Farben sind das Ergebnis des umgekehrten Prozesses: der Zerlegung des sichtbaren Lichts in seine Bestandteile). Dies schränkt die Verwendung von dreifarbigen Leuchten als Beleuchtungselemente ein. Um diese unangenehme Eigenschaft etwas zu kompensieren, wird bei der Herstellung von LED-Streifen das RGBW-Prinzip verwendet. Für jede dreifarbige LED ist ein weißes Glühelement (aufgrund des Phosphors) installiert. Allerdings steigen die Kosten für eine solche Beleuchtungseinrichtung deutlich an. Es gibt auch RGBW-LEDs. Sie haben vier Kristalle im Körper - drei für die ursprünglichen Farben, der vierte - um weißes Licht zu erzeugen, strahlt er Licht durch den Phosphor aus.
Nutzungsdauer
Die Lebensdauer eines dreikristallinen Geräts wird durch die MTBF des kürzesten Elements bestimmt. In diesem Fall ist sie für alle drei p-n-Übergänge ungefähr gleich. Die Hersteller geben für RGB-Elemente eine Lebensdauer von 25.000-30.000 Stunden an. Diese Zahl ist jedoch mit Vorsicht zu genießen. Die angegebene Lebensdauer entspricht einem Dauerbetrieb von 3-4 Jahren. Es ist unwahrscheinlich, dass irgendein Hersteller Lebensdauertests (und sogar in verschiedenen thermischen und elektrischen Betriebsarten) über einen so langen Zeitraum durchgeführt hat. In dieser Zeit tauchen neue Technologien auf, die Tests müssen von vorne beginnen - und so weiter bis ins Unendliche. Die Garantiezeit ist sehr viel informativer. Sie beträgt 10.000-15.000 Stunden. Alles, was darüber hinausgeht, ist im besten Fall mathematische Modellierung, im schlimmsten Fall reines Marketing. Das Problem ist, dass die üblichen preiswerten LEDs in der Regel keine Garantieinformationen des Herstellers enthalten. Sie können jedoch 10.000 bis 15.000 Stunden anstreben und ungefähr den gleichen Betrag im Auge behalten. Darüber hinaus ist alles eine Frage des Glücks. Und noch etwas: Die Lebensdauer hängt sehr stark von den thermischen Bedingungen während des Betriebs ab. Daher hält ein und dasselbe Element unter verschiedenen Bedingungen unterschiedlich lange. Um die Lebensdauer der LEDs zu verlängern, ist es notwendig, auf die Wärmeabfuhr zu achten, Heizkörper nicht zu vernachlässigen und Bedingungen für eine natürliche Luftzirkulation zu schaffen, und in einigen Fällen auf eine Zwangsbelüftung zurückzugreifen.
Aber selbst der verkürzte Zeitrahmen beträgt einige Jahre Betriebszeit (da LEDs nicht ohne Pausen funktionieren). Das Aufkommen der dreifarbigen LEDs ermöglicht es den Designern, Halbleiter in großem Umfang für ihre Ideen zu verwenden, und den Ingenieuren, diese Ideen "in Eisen" umzusetzen.
