Meerkleurige leds aansturen

Light emitting diodes (leds) zijn een eenvoudig en kostenefficiënt middel voor het geven van statusinformatie. Voor sommige projecten is een eenkleurige led echter niet voldoende, terwijl meerdere leds onpraktisch kunnen zijn vanwege een gebrek aan ruimte, geld of vermogen. Als ze goed zijn gekoppeld met een microcontroller, bieden meerkleurige leds in die situaties een effectieve oplossing.

In dit artikel worden de basisprincipes van leds uitgelegd en de voordelen van meerkleurige leds besproken voordat er geschikte oplossingen met meerkleurige leds worden voorgesteld. Tenslotte laat het zien hoe leds kunnen worden aangesloten op een microcontroller om tot 16 miljoen verschillende kleuren te produceren.

Leds behandelen als diodes

Bij het ontwerpen van een schakeling met een led, is het belangrijk om te bedenken dat leds geen gloeilampen zijn, maar halfgeleiderapparaten, diodes, die toevallig licht uitstralen. Als diodes laten ze typisch voornamelijk alleen in één richting stroom door (diodes zijn echter niet ideaal, waardoor ze ook een kleine hoeveelheid stroom vertonen in sperrichting).

Het lichtgevende gedeelte van een gewone led is een eenvoudige halfgeleider in het midden van het samenstel, die bestaat uit een enkele pn-overgang (Afbeelding 1). Er loopt stroom van de anode van de led, die verbonden is met het p-type silicium, naar de kathode van de led, die verbonden is met het n-type silicium. In normale diodes is de pn-overgang gewoonlijk germanium (Ge) of silicium (Si). Bij leds is de overgang echter gewoonlijk transparant galliumarsenidefosfide (GaAsP) of galliumfosfide (GaP) halfgeleidermateriaal.

Afbeelding 1: een ledsamenstel bevat de pn-overgang (matrijs) van de halfgeleider, die stroom van de anode naar de kathode laat lopen. Een doorzichtige behuizing met een lens zorgt ervoor dat het uitgestraalde licht goed te zien is voor de gebruiker. (Bron afbeelding: Wikipedia)

Met transparante GaAsP of GaP zorgt de doorlaatspanning op de pn-overgang ervoor dat de halfgeleider fotonen afgeeft. De pn-overgang is op een reflecterende holte gemonteerd die de fotonen naar de lens van de led richt. De lens en de body van de led bestaan uit een heldere epoxy die optioneel een kleur kan hebben die bij het uitgestraalde licht past.

De reflector rust op een bedradingsframe dat het aambeeld wordt genoemd, en de kathode is met een draadverbinding aangesloten op een frame dat de ondersteuning wordt genoemd. Het aambeeld en de ondersteuning zijn zo gevormd dat ze een sterke verbinding hebben met de epoxy-body van de led, waardoor de anode- of kathodepinnen niet uit de epoxy-body van de led kunnen worden getrokken zodat de led kapot gaat.

Enkelkleurige leds

Leds zijn verkrijgbaar in vele kleuren, zoals rood, groen, geel, amber, cyaan, oranje, roze, paars en recenter ook wit en blauw. Enkelkleurige leds hebben een halfgeleidermatrijs van een materiaal dat de gewenste golflengte licht geneert, waarbij de epoxy ledbehuizing vaak dezelfde kleur heeft. Hoewel het niet noodzakelijk is dat de lens dezelfde kleur heeft als het uitgestraalde licht, is het wel belangrijk om de kleur van de ledcomponent gemakkelijk te kunnen herkennen om verwarring met andere leds te voorkomen.

Meerkleurige leds

Voor sommige systemen waarin ruimte, kosten en vermogen beperkingen vormen, is het een voordeel om één led te hebben die meer dan één kleur kan uitstralen. Gewoonlijk hebben deze meerkleurige leds drie leds: een rode, een groene en een blauwe (RGB) in één doorzichtige epoxy behuizing. Een goed voorbeeld is de 2739 RGB-led van Adafruit Industries (Afbeelding 2). Deze is ontworpen voor meerkleurige indicatielampjes, heeft een rechthoekig lichtdoorlatend gedeelte van 2,5 mm breed bij 5 mm hoog en wordt geleverd met vier radiale aansluitingen voor montage via doorvoeropening op een printplaat.

Afbeelding 2: de Adafruit 2739 RGB-led heeft een rechthoekige lens van doorzichtig epoxy van 2,5 mm breed bij 5 mm hoog. Hij wordt geleverd met vier radiale aansluitingen voor montage via doorvoeropening op een printplaat. (Bron afbeelding: Adafruit Industries)

De drie interne leds kunnen afzonderlijk worden gebruikt of in combinatie met de andere leds om verschillende kleuren te produceren.

Meerkleurige RGB-leds zijn gewoonlijk verkrijgbaar met drie pinouts:

1. Eén algemene anode voor alle leds, waarbij iedere aparte kathode beschikbaar is voor in totaal vier pinnen.
2. Eén algemene kathode voor alle leds, waarbij iedere aparte anode beschikbaar is voor in totaal vier pinnen.
3. Iedere afzonderlijke anode en kathode heeft een pintoewijzing voor een totaal van zes pinnen.

Ontwerpen met meerkleurige leds

De Adafruit 2739 RGB-led heeft een algemene anode met iedere kathode voor de rode, groene en blauwe led afzonderlijk ingericht voor in totaal vier pinnen (Afbeelding 3). De algemene anode is verbonden met de positieve voeding, terwijl de afzonderlijke rode, groene en blauwe leds worden ingeschakeld door ze te verbinden met de aarde.

Afbeelding 3: De Adafruit 2739 RGB-led heeft een algemene anode met een aparte kathode voor de rode, groene en blauwe leds. (Bron afbeelding: Adafruit Industries)

Veel kleuren genereren

Als een toepassing maar één van drie statussen hoeft weer te geven, is de eenvoudigste manier om de 2739 RGB-led zo te gebruiken dat er gewoon één led per keer wordt ingeschakeld, waarbij de gebruiker kan kiezen uit rood, groen of blauw.

Voor meer verschillende kleuren, kan een ontwerper eenvoudigweg twee kleuren met elkaar combineren, waardoor de volgende zes kleurenopties ontstaan:

• Rood
• Groen
• Blauw
• Geel (rood + groen)
• Cyaan (groen + blauw)
• Magenta (rood + blauw)

Voor een duidelijke projectdocumentatie moeten de weergegeven kleuren verschillend, makkelijk te herkennen en eenvoudig verbaal te identificeren zijn. Een groene led met volledige stroom kan in een led-datasheet bijvoorbeeld worden gedocumenteerd als "lime". Wanneer de led brandt, zouden de meeste consumenten en ontwikkelaars de kleur echter identificeren als "groen" als het ze werd gevraagd. Ongeacht de werkelijke naam van de kleur, moeten gebruikers zowel visueel als met behulp van een label eenvoudig onderscheid kunnen maken tussen de verschillende kleuren. Maar weinig mensen kunnen gemakkelijk het verschil herkennen tussen "groen" en "lime" en als beide kleuren naast elkaar te zien zijn, zouden ze in plaats daarvan lime "groen" noemen en groen "donkergroen".

Voor complexere toepassingen kan de intensiteit van de RGB-combinaties worden afgewisseld om tot 16 miljoen kleuren te genereren. Een betrouwbare methode om dat te doen, is door een pulsbreedte-gemoduleerd (PBM) signaal op de diverse leds toe te passen, waarbij de duty cycle overeenkomt met de intensiteit. Het menselijk oog kan flikkeringen van 200 hertz (Hz) of langzamer onderscheiden, dus om flikkeringen te vermijden, moet er een PBM-frequentie van 1000 Hz of sneller worden gebruikt.

Kleuren kunnen eenvoudig worden geselecteerd met hun RGB-kleurcode. Dit is gebaseerd op het additieve RGB-kleurenmodel, waarin de intensiteit van rood, groen en blauw licht afzonderlijk wordt gevarieerd en de kleuren worden gecombineerd om vrijwel alle kleuren te kunnen reproduceren. Dit model geldt voor licht en is de basis voor de kleurweergave van televisies en displays. Het wordt ook gebruikt om kleuren op webpagina's weer te geven.

De afkorting voor een RGB-kleurcode wordt weergegeven als (R,G,B), waarbij R, G en B de decimale waarden zijn voor de rode, groene en blauwe intensiteit van de kleur, op een schaal van 0 tot 255. De decimale RGB-kleurcode voor blauw is bijvoorbeeld (0,0,255), paars is 128,0,128) en zilver is (192,192,192). Bij het bepalen van de PBM duty cycle voor iedere kleur, worden deze waarden door 255 gedeeld, zodat de duty cycle-waarden voor blauw (0,0,100%) zouden zijn, paars is (50%,0,50%) en zilver is (75%,75%,75%).

In theorie wordt wit licht weergegeven met (255,255,255) en kan het worden gegenereerd door de rode, groene en blauwe leds tegelijkertijd met volledige intensiteit in te schakelen. In de praktijk is de kleur die met deze methode wordt geproduceerd echter gewoonlijk wit met een blauwachtige tint. Deze kleuring treedt op omdat de gegenereerde led-kleuren niet precies overeenkomen met de golflengten van perfect rood, groen en blauw.

De benodigde PBM-signalen kunnen eenvoudig worden gegenereerd door een microcontroller. Een passend voorbeeld daarvan is de ATSAMC21J18A van Microchip Technology (Afbeelding 4). Dit is een toestel met laag vermogen voor IoT-eindpunten dat deel uitmaakt van de SAM C21-microcontrollerfamilie van het bedrijf. Het heeft een 48 MHz Arm® Cortex®-M0+ kern en ondersteunt 5 volt voor I/O.

Afbeelding 4: De ATSAMC21J18A-microcontroller heeft timer/teller-units die automatisch drie synchrone PBM-signalen kunnen genereren. (Bron afbeelding: Microchip Technology)

Voor het aansturen van de leds heeft de ATSAMC21J18A timer/teller-units die automatisch drie synchrone PBM-signalen kunnen genereren. De SAM C21-familie heeft een high sink-optie waarmee vier I/O-pinnen elk maximaal 20 milliampère (mA) kunnen dalen.

Bij gebruik van een led is het belangrijk om de juiste serieweerstand te selecteren om het stroomdebiet te beperken. Bij een weerstand met een te lage waarde kan de led kapot gaan, terwijl een weerstand met een te hoge waarde tot zwak of geen licht kan leiden. De waarde van de serieweerstand wordt bepaald door de doorlaatspanning van iedere led en het gewenste stroomdebiet.

Leds zijn door stroom aangestuurde halfgeleiders. Het is ook belangrijk om te weten dat dankzij de fysieke eigenschappen van de materialen de bedrijfsspanning van de led toeneemt naarmate de golflengte van het uitgestraalde licht afneemt. Dit is een belangrijke factor waar rekening mee moet worden gehouden bij het gebruik van meerdere leds.

Met een doorlaatstroom van 20 mA voor de Adafruit 2739 RGB-led, zijn de gespecificeerde, typische led-doorlaatspanningswaarden volgens de tabellen van Adafruit 2 volt voor rood en 3,2 volt voor groen en blauw.

Als de algemene anode is verbonden met 5 volt, worden de weerstandswaarden tussen de leds en de I/O-pinnen bepaald door de volgende vergelijking:

Vergelijking 1

Waarbij:

V_DD = 5 volt

V_OL = Uitgang lage spanning voor de ATSAMC21J18A = 0,1 x V_DD = 0,5 volt

V_F = doorlaatspanning (typisch)

I = doorlaatstroom in amp

R = weerstandswaarde in ohm (Ω)

Het toepassen van deze formule op I = 20 mA geeft als resultaat R_ROOD (V_F = 2 volt) = 125 Ω, en R_GROEN = R_BLAUW (V_F = 3,2 volt) = 65 Ω.

Als een berekende weerstand niet beschikbaar is als standaard weerstandswaarde, kan de ontwikkelaar de eerstvolgende lagere of de eerstvolgende hogere waarde kiezen, waarbij de hogere waarde de voorkeur heeft. Als er een lagere waarde wordt gekozen, moet er voorzichtig te werk worden gegaan om de maximale doorlaatspanning voor die led of het maximale current sink-vermogen van de I/O-poort van de ATSAMC21J18A niet te overschrijden. Hoewel de led kan blijven werken als deze maximumwaarden worden overschreden, is het risico dat de levensduur van de led wordt verkort of dat in de loop van de tijd de I/O-poort kapot gaat. De doorlaatstroom kan eventueel worden verminderd, als het zwakkere licht acceptabel blijft voor de toepassing. Bij een doorlaatstroom van 15 mA bijvoorbeeld, daalt de gespecificeerde doorlaatspanning van de Adafruit 2739 RGB-led tot 1,9 volt voor rood en tot 3,1 volt voor groen en blauw. Dit heeft weerstandswaarden tot gevolg van R_ROOD = 173,3 Ω en R_GROEN = R_BLAUW = 93,3 Ω.

Aangezien de ATSAMC21J18A de leds aanstuurt via de verbinding met de aarde, brandt een afzonderlijke LED als de I/O-poort een logisch lage status heeft en is deze uit als de poort een logisch hoge status heeft. Daarom moeten de duty cycles van de berekende RGB-kleurcode worden geïnverteerd. Als voor een kleur bijvoorbeeld een duty cycle van 25% nodig is, moet de PBM een duty cycle van 75% genereren om de led gedurende 25% van de tijd te laten branden. Daarnaast moet de opstartcode van de microcontroller de drie pinnen activeren voor een logisch hoge status als de led uit moet zijn bij het opstarten.

De ATSAMC21J18A heeft 256 Kbyte flash-geheugen, 32 Kbyte RAM en een reeks verschillende analoge randapparaten. De microcontroller heeft ook zes seriële communicatiemodules (SERCOMs), die allemaal kunnen werken als een USART, SPI, LIN slave of I²C-interface.

Smart RGB-led

Een andere manier om meerdere kleuren te genereren met een RGB-led, is door hem te programmeren. De term Smart led wordt gebruikt om dit soort meerkleurige leds met een programmeerbare seriële interface te beschrijven. Een goed voorbeeld daarvan is de BL-HBGR32L-3-TRB-8 van American Bright Optoelectronics, een vierkante RGB-led van 5 bij 5 mm die kan worden geprogrammeerd voor het genereren van iedere gewenste kleur met een I²C- interface van 800 kilohertz (kHz) (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: de BL-HBGR32L-3-TRB-8 van American Bright is een zespins digitale vierkante RGB-led van 5 bij 5 mm met een I²C pass-through pinout waarmee meerdere apparaten in serie kunnen worden geschakeld op dezelfde I²C-interface. (Bron afbeelding: American Bright Optoelectronics Corp.)

Het gemak van de I²C-interface maakt het ontwerp veel eenvoudiger door printplaatruimte te besparen en de microcontrollercode te vereenvoudigen. Eén van de SERCOM-poorten op de ATSAMC21J18A kan worden geconfigureerd als seriële I²C-interface om makkelijk te kunnen communiceren met de BL-HBGR32L-3-TRB-8. Bij de pinout van afbeelding 5 is het I²C-datasignaal van de ATSAMC21J18A-microcontroller verbonden met het Data In-signaal van pin 1 en de I²C-klok met pin 2 Clock In.

De kleur van de BL-HBGR32L-3-TRB-8-led wordt geprogrammeerd door vier bytes die de globale helderheidsinstelling vertegenwoordigen met de RGB-kleurcodes te verzenden als één 32-bits woord. De smart led heeft een gegevensuitgang pass through op pin 6 en een I²C-klok pass through op pin 5. Daardoor kunnen meerdere leds met elkaar in serie worden geschakeld, zodat iedere led een andere kleur kan weergeven.

Conclusie

Als je weet hoe meerkleurige RGB-leds moeten worden aangestuurd, kunnen ze ruimte, kosten en vermogen besparen, terwijl ze het uiterlijk en de gebruikersinterface van een eindsysteem, apparaat, statusindicator of verlichtingssysteem verbeteren. Ontwikkelaars kunnen kiezen voor standaard RGB-leds, die complete controle over iedere led geven, of voor smart leds, die programmeerbare controle van de kleuren bieden. Bovendien zijn er veel goedkope laagvermogenopties op het gebied van de microcontrollers die gewoonlijk worden gebruikt om PBM-besturingssignalen te genereren.