Arduino для начинающих. Урок 5. Трехцветный светодиод

Обычные светодиоды занимают лидирующие позиции в современных системах освещения различного назначения. Не менее популярны сегодня и многоцветные RGB-устройства. Окрашенный в различные оттенки свет идеально подходит для декоративного оформления архитектурных элементов, художественной подсветки предметов ландшафта и интерьера. Благодаря возможности подключения RGB-светодиодов к различным приборам управления и объединения в группы больших масштабов с их помощью создают эффектные световые сценарии и не менее впечатляющие движущиеся изображения.

Что такое RGB-светодиод?

Устройство представляет собой полноцветный LED-элемент, способный воспроизводить весь спектр оттенков радуги. В отличие от обычных светодиодов, он имеет три независимых источника света, излучающих свечение трех базовых цветов — красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue).

Характеристика RGB-светодиода

Функционирование устройства основано на оптическом эффекте создания разных оттенков методом управляемого смешивания 2-3 основных цветов. Комбинирование возможно в разном порядке и соотношении. Для создания нужного оттенка применяется изменение яркости каждого отдельного кристалла. Используя базовые характеристики RGB-светодиодов, можно создавать интересные световые эффекты со смешиванием цветов, поочередным включением отдельных проводников и сменой оттенков в нужной последовательности. Когда все 3 полупроводника работают на полную мощность, диод излучает белый свет.

Характеристики при пайке SMD 5050

Очень часто возникает среди любителей вопрос, «как правильно паять диоды SMD 5050». Для меня сложного в этом уже ничего нет. Но Для полной картины приведу ряд тезисов, которым нужно следовать, чтобы получить качественный результат быстро, без переделок.

• Паять SMD 5050 следует не более одного раза
• Не давите сильно на корпус
• Запрещено переворачивать монтажную плату до момента, пока полностью не остынет припой
• В своей работе используйте только низкотемпературную паяльную пасту
• В ручном режиме температура паяльника не должна превышать 300 градусов по Цельсию
• Максимальное время пайки составляет не более 2-3 секунд

Как устроены многоцветные светодиоды

RGB LED модули имеют характерную конструкцию — три цветных диода, установленные на одной матрице и покрытые единой оптической линзой. В качестве базы используется гибкая лента или жесткая матрица с трехслойной структурой. Каждый кристалл имеет отдельное подключение к источнику питания. Соответственно, RGB-светодиод имеет 4 контакта — общий и по одному на полупроводник.

Принцип работы

Такие устройства создаются и функционируют по технологии COB. Они имеют несколько одинаковых p-n-переходов. При подаче напряжения на один кристалл в результате рекомбинации зарядов происходит свечение определенного цвета. При одновременном включении 2-3 элементов на определенной мощности появляется вторичное свечение люминофора с формированием различных оттенков. Так, при парном включении красного и зеленого кристалла RGB-светодиод даст желтый свет. Одновременная активация синего и зеленого позволит получить бирюзовый оттенок.

Как работает двухцветный светодиод?

Название двухцветный светодиод появилось не от того, что прибор как-то по-особенному окрашен, а потому что он может светиться двумя цветами.

Включаются они отдельно. Например, если речь идет о красно-зеленом светильнике, вначале горит только красный, затем красный гаснет и загорается зеленый. Такая особенность связана с устройством прибора.

Все двухцветные светодиоды сделаны с двумя выводами. Цвет меняется в зависимости от того, в какую сторону через лампу течет ток. Схема такого прибора вполне понятна. В ней присутствует резистор и два включенные друг навстречу другу диода. Диоды соединяются параллельно. Когда ток протекает в прямом направлении, то один диод оказывается запертым и не светится. При обратном направлении тока все повторяется с точностью наоборот.

Набор чистых цветов у светодиодов ограничен. С большими усилиями ученым удалось создать кристаллы, генерирующие цвета, подобные цветам радуги. Там есть:

• красный;
• оранжевый (янтарный);
• желтый;
• зеленый;
• синий

И еще насколько оттенков. Белый, как и миллионы других тонов, получается в результате их сочетания.

Виды

RGB-светодиоды выпускаются в различных вариантах исполнения, что позволяет подобрать оптимальное устройство для различных целей. Прибор может оснащаться прозрачной или матовой линзой. Также они эти устройства имеют различные исполнения корпусов — стандартный круглый, модель повышенной мощности Emitter и модуль формата «Пиранья».

Главная классификация RGB-светодиодов осуществляется по типу соединения кристаллов внутри:

• с общим катодом (CA) — управление осуществляется подачей сигнала положительной полярности на анод;
• с общим анодом (CC) — изменение режимов работы выполняется методом подачи отрицательного импульса на катод;
• с независимыми элементами — каждый кристалл имеет собственную пару контактов (всего 6 выводов), подходит для коммутации различными способами.

Разновидности

Разнообразие сфер применения многоцветных светодиодных источников света определяет основные виды внешнего оформления RGB–светодиодов:

• изделия небольшой мощности выпускаются в стандартных круглых корпусах со сферической линзой и выводами под обычную пайку;
• маломощные RGB–светодиоды в SMD-корпусах поверхностного монтажа широко применяются в светодиодных лентах или полноцветных светодиодных экранах большой площади;
• в корпусах типа Emitter выпускают мощные RGB–источники света с независимым управление каждым светодиодным кристаллом;
• сверх яркие светодиоды в корпусах Пиранья не требуют теплоотвода и легко монтируются на печатные платы.

Для упрощения систем управления светом в корпуса некоторых серий многоцветных LED–источников света вмонтированы управляющие микросхемы.

RGBW-светодиоды

Создать чистое белое свечение с помощью стандартного трехцветного модуля достаточно сложно. Для этого нужна точная балансировка питания каждого отдельного кристалла. И даже при успешной настройке цвет получается тусклым. Чтобы упростить процесс создания беловой подсветки, были созданы четырехцветные светодиоды — RGBW. Помимо трех элементов базовых цветов они имеют дополнительный белый чип (RGB + White). Его наличие существенно увеличивает качество цветопередачи, расширяет палитру воспроизводимых оттенков и снижает нагрузку на контроллер.

Сферы применения

Многоцветные светодиоды активно используются для создания оригинального светового дизайна объектов и декоративной подсветки различных элементов. Применяя ленты и другие устройства с RGB-модулями, можно создавать интересные световые эффекты для различных целей:

• оформление рекламных конструкций и объектов;
• визуальные спецэффекты в ходе массовых мероприятиях;
• украшение фасадов зданий и входных групп;
• декоративная подсветка фонтанов, мостов и других сооружений;
• дизайнерское оформление жилых интерьеров.

Как управляют RGB-светодиодами

Данный тип устройств отличается сложностью монтажа. Для питания RGB-светодиодов необходимо постоянное напряжение 12В или 24В. Прямое подключение к сети 220В не допускается!

Подключение

Чтобы использовать все возможности многоцветного светодиодного модуля, его присоединяют к контроллеру. Например, универсальному блоку Arduino. Схема подключения RGB-диода зависит от типа соединения его кристаллов:

• Общий вывод модуля с независимыми элементами соединяют с контактом «Gnd», а остальные три подключаются к соответствующим точкам.
• Модули с общим анодом присоединяются к отрицательному контакту «Gnd», который находится в одном ряду с катодами.
• Приборы с общим катодом соединяются с положительным контактом «Gnd», который располагается в противоположном ряду.

При этом во всех случаях каждый контакт RGB-светодиода должен иметь токоограничивающий резистор. Прямая пайка категорически недопустима.

схема управления двухцветными светодиодами до 1А

При разных логических уровнях на входах микросхема работает следующим образом. Если на одном из входов, например, IN1 имеется низкий логический уровень, то выход OUT1, соединяется с общим проводом. Катод светодиода HL2 через резистор R2 тоже соединяется с общим проводом. Напряжение на выходе OUT2 (при наличии на входе IN2 логической единицы) в этом случае зависит от напряжения на входе V_ref, что позволяет регулировать яркость свечения светодиода HL2.

В данном случае напряжение V_ref получается из ШИМ импульсов от микроконтроллера с помощью интегрирующей цепочки R1C1, что регулирует яркость светодиода, подключенного к выходу. Микроконтроллер управляет также и входами IN1 и IN2, что позволяет получить самые разнообразные оттенки свечения и алгоритмы управления светодиодами. Сопротивление резистора R2 рассчитывается исходя из предельно допустимого тока светодиодов.

Как изменяется цвет свечения

В обычном режиме RGB-светодиод создает только статичное свечение. Однако наиболее эффектно многоцветная подсветка выглядит именно в динамичном режиме. Возможность удобного управления цветами и сценариями обеспечивает микроконтроллер Arduino. Он меняет яркость свечения кристаллов методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Прибор обеспечивает автоматическое воспроизведение сценариев, а их настройка и активация осуществляется пользователем вручную с помощь пульта.

Также для управления RGB-светодиодом могут использоваться другие способы — система встроенных драйверов или специальные схемы на основе транзисторов.

Размер светодиодов 5050

Все размеры приведены в миллиметрах, точность измерения составляет +- 0,1мм. Во время производства диодов размеры могут очень незначительно изменяться.

Линза, используемая в производстве — прозрачная. Чип выполнен на основе InGaN. Как правило, линза состоит из силиконового компаунда. Сам корпус производят из термостойкого пластика.

Светодиоды этой марки поставляются в катушках.

Ну вот вроде и все… Я постарался максимально полно описать SMD 5050. Получилось много букофф, но по беглому взгляду, вроде ничего не упустил. Если что-то не так, сильно «не пинайте». Готов к конструктивному общению))) На последок, кто не сильно устал, можно посмотреть ролик о правильном монтаже, пайке SMD 5050.

Плюсы и минусы светодиодов RGB

Главным недостатком трехцветных светодиодов считается отсутствие возможности создавать качественный белый свет. Это накладывает существенные ограничения для использования RGB в роли основного источника освещения. Однако этот минус нивелируется наличием на рынке четырехцветных модулей RGBW с дополнительным белым чипом.

К достоинствам многоцветных светодиодов можно отнести все преимущества LED-устройств:

• доступная стоимость;
• минимальное энергопотребление;
• продолжительный срок службы;
• экологичность и пожаробезопасность;
• высокое качество излучаемого света.

Применение

Несмотря на свой не слишком широкий спектр излучения, двухцветные светодиоды находят собственную нишу в приборостроении.

Их используют для световой сигнализации, в декорировании помещений, в рекламе. Двухцветные светодиоды являются индикаторами вращения двигателя, работающего от постоянного тока. Они показывает, в какую сторону происходит вращение.

Аналогичное применение находят трехцветные светодиоды, работающие на двух кристаллах. Их преимущество перед трехкристаллическими светильниками заключается в сравнительно низкой стоимосте. В тоже время возможности приборов достаточно широкие.

Работу такого светодиода хорошо иллюстрирует индикаторная лампочка зарядного устройства наших фотоаппаратов, телефонов, планшетов и многих других приборов. При разрядке аккумулятора она светится красным, а при полной зарядке – зеленым.