Характеристика RGB светодиода

Отличие светодиодной ленты RGB от обычной LED ленты

Отличие светодиодной лент RGB от обычной LED ленты сразу видно еще из названия. В обычных LED лентах применяются монохромные светодиоды, для подключения которых нужно только два контакта. В RGB лентах устанавливают многоцветные RGB светодиоды, которые в одном корпусе содержат сразу три кристалла, отвечающие за три разных цвета: красный, синий и зеленый (red, green, blue). Подключается такая лента с помощью четырех контактов, где три из них управляют конкретным каналом цвета и один контакт общий.

Такая лента позволяет получить любой цвет и оттенок регулировкой яркости каналов из трех основных цветов.

Управление RGB лентой с помощью Andurino

Кроме однокристальных светодиодов, Ардуино может работать и с цветными LED. Подключив выводы каждого  цвета к аналоговым выходам Ардуино можно произвольно изменять яркость каждого кристалла, добиваясь необходимого цвета свечения.

Схема подключения к Arduino RGB светодиода:

Аналогично построено и управление RGB лентой Arduino:

Аrduino RGB контроллер лучше собирать на полевых транзисторах.

Для плавного управления яркостью можно использовать две кнопки. Одна будет увеличивать яркость свечения, другая уменьшать.

Скетч управления яркостью светодиодной ленты Arduino

int led = 120; устанавливаем средний уровень яркости

void setup() {pinMode(4, OUTPUT);  устанавливаем 4й аналоговый порт на выводpinMode(2, INPUT);

pinMode(4, INPUT);  устанавливаем 2й и 4й цифровой порт на ввод для опроса кнопок} void loop(){

button1 = digitalRead(2);

button2 = digitalRead(4); if (button1 == HIGH)  нажатие на первую кнопку увеличит яркость{ led = led + 5;

analogWrite(4, led); } if (button2 == HIGH)  нажатие на вторую кнопку уменьшит яркость{ led = led — 5;

analogWrite(4, led); }

При удержании первой или второй кнопки плавно изменяется напряжение, подаваемое на управляющий контакт электронного ключа. Тогда и произойдет плавное изменение яркости.

Цвета

Немного теории: мы можем смешивать три основных цвета и видеть новые оттенки, так как в наших глазах три типа рецепторов (для красного, зеленого и синего цветов). В результате ваш глаз и мозг обрабатывает информацию о насыщенности этих трех цветов и преобразовывает их в другие оттенки спектра.

То есть, используя одновременно три светодиода, мы словно обманываем наши глаза. Эта же идея используется в телевизорах, где жидкокристаллический дисплей состоит из маленьких точек красного, зеленого и синего цветов, которые расположены очень близко друг к другу и формируют отдельные пиксели.

Если мы настроим одинаковую яркость всех светодиодов, мы он будет светиться белым. Если мы отключим синий светодиод и будут гореть с одинаковой яркостью только красный и зеленый, мы получим желтый свет.

Мы можем управлять яркостью каждого светодиода отдельно, смешивая цвета как нам заблагорассудится.

Так как черный цвет не что иное, как отсутствие света, получить его не получится. Ближайший оттенок черного – это полностью выключенные светодиоды.

Включение светодиодов от блока питания

Речь пойдёт о блоках питания (БП), работающих от сети переменного тока 220 В. Но даже они могут сильно отличаться друг от друга выходными параметрами. Это могут быть:

• источники переменного напряжения, внутри которых есть только понижающий трансформатор;
• нестабилизированные источники постоянного напряжения (ИПН);
• стабилизированные ИПН;
• стабилизированные источники постоянного тока (светодиодные драйверы).

Подключить светодиод можно к любому из них, дополнив схему нужными радиоэлементами. Чаще всего в качестве блока питания применяют стабилизированные ИПН на 5 В или 12 В. Данный тип БП подразумевает, что при возможных колебаниях напряжения сети, а также при изменении тока нагрузки в заданном диапазоне напряжение на выходе изменяться не будет. Это преимущество позволяет подключать к БП светодиоды, используя только резисторы. И именно такой принцип подключения реализован в схемах с индикаторными светодиодами.

светодиодных матриц

• I_{драйвера} – ток драйвера по паспорту, А;
• I_LED – номинальный ток светодиода, А.

В качестве источника питания можно использовать даже одну пальчиковую батарейку на 1,5 В. Но для этого придётся собрать небольшую электрическую схему, которая позволит повысить напряжение питания до нужного уровня. О том, как это сделать, можно узнать из статьи «Как подключить светодиод от батарейки на 1,5 В».

Схема подключения обычной светодиодной ленты

Электроэнергия поступает через 4-пиновый разъем Molex компьютерного блока питания.

В него входят провода:

1. Черные – «масса» (Gnd или COM).
2. Желтый – напряжение +12 V.
3. Красный – напряжение +5 V.

Действуют в таком порядке:

1. Срезают разъем.
2. Зачищают желтый провод и 1 черный, остальные изолируют.
3. Соединяют пайкой жилы и контактные площадки ленты. Желтый провод подключают к «плюсу», черный – к «минусу».
4. Изолируют соединение термоусадочной трубкой.

Чтобы не срезать разъем, можно приобрести ответную часть для него (штепсель) в составе переходника Molex-SATA. Он предназначен для питания более новых винчестеров с последовательной дата-шиной. Коннектор SATA отрезают, к освободившимся проводам подключают ленту.

Далее штепсель вставляют в разъем Molex. Максимальный ток для него – 20 А, но с учетом наличия прочих устройств (винчестера, DVD-дисковода и пр.) не рекомендуется подключать нагрузку более 5 А (лучше до 4 А).

Можно реализовать схему со ступенчатой регулировкой яркости свечения. Понадобится 2-позиционный переключатель с функцией дистанционного управления.

Один его контакт соединяют с «минусом» ленты, 2 других – с красным (+5 V) и черным проводами разъема. Когда регулятор переведен в первое положение, на диоды подается разность потенциалов 12-5 = 7 V, и они горят вполсилы.

К свободному блоку питания от ПК можно подключить ленту на 24 В. Задействуется разъем для электроснабжения материнской платы (MB-20 или MB-24).

На один из его контактов подается напряжение -12 В. К нему подходит провод в голубой изоляции. В MB-20 он расположен под 12-м номером, в MB-24 – под 14-м. «Минус» ленты подсоединяют к этому контакту, «плюс» – к желтому проводу (+12 V). В результате разность потенциалов на диодах составит 24 В. Максимальный ток при подключении к разъему MB – 1 А.

Устройство

Светодиодная RGB лента представляет собой гибкую печатную плату, на которой размещаются светодиоды и резисторы, ограничивающие ток диодов. Ширина может варьироваться от 8 до 20 мм. Существуют ленты, на которых светодиоды различных цветов размещены рядом друг с другом. Однако наибольшее распространение получили led-ленты со светодиодами собранными в одном корпусе. Такой RGB LED имеет шесть выводов.

Светодиоды имеют несколько типоразмеров. Наиболее распространены светодиоды LED-RGB-SMD 5050 размером 5х5 мм. На погонном метре светодиодной ленты могут размещаться 30 или 60 светодиодов (двойная плотность). В зависимости от количества светодиодов, их типоразмера зависит потребляемая мощность и световой поток.

Для крепления к различным поверхностям с тыльной стороны светодиодных RGB лент приклеивается двойной скотч. LED-ленты выпускаются с различными степенями защиты (IP). Изделия с невысокой степенью защиты могут применяться только в сухих помещениях. Ленты в силиконовой оболочке не бояться прямого попадания влаги и даже могут погружаться в воду (IP68).

Стандартная длина светодиодной RGB ленты составляет 5 метров. Однако ее можно разрезать на отрезки различной длины. Места, где можно произвести разрезы, производители помечают пунктирной линией и символом «ножницы». В местах разреза имеются контактные площадки, к которым подсоединяется питание. Назначение контактных площадок маркируется буквами R, G, B и знаком «плюс».

Пионеры исследований цветовосприятия

Сегодня мы знаем, что сетчатка человеческого глаза содержит три разных типа фоторецепторных клеток, называемых колбочками. Каждый из трёх типов колбочек содержит белок из семейства белков опсинов, который поглощает свет в различных частях спектра:

Поглощение света опсинами Колбочки соответствуют красной, зелёной и синей частям спектра и часто называются длинными (L), средними (M) и короткими (S) согласно длинам волн, к которым они наиболее чувствительны. Одной из первых научных работ о взаимодействии света и сетчатки был трактат «Hypothesis Concerning Light and Colors» Исаака Ньютона, написанный между 1670-1675 гг. У Ньютона была теория, что свет с различными длинами волн приводил к резонансу сетчатки с теми же частотами; эти колебания затем передавались через оптический нерв в «сенсориум».

«Лучи света, падая на дно глаза, возбуждают колебания в сетчатке, которые распространяются по волокнам оптических нервов в мозг, создавая чувство зрения. Разные типы лучей создают колебания разной силы, которые согласно своей силе возбуждают ощущения разных цветов…» (Рекомендую вам обязательно прочитать отсканированные черновики Ньютона на веб-сайте Кембриджского университета. Я, конечно, констатирую очевидное, но каким же он был гением!)

Больше чем через сотню лет Томас Юнг пришёл к выводу, что так как частота резонанса — это свойство, зависящее от системы, то чтобы поглотить свет всех частот, в сетчатке должно быть бесконечное количество разных резонансных систем. Юнг посчитал это маловероятным, и рассудил, что количество ограничено одной системой для красного, жёлтого и синего. Эти цвета традиционно использовались в субтрактивном смешивании красок. По его собственным словам:

Предположение Юнга относительно сетчатки было неверным, но он сделал правильный вывод: в глазе существует конечное количество типов клеток. В 1850 году Герман Гельмгольц первым получил экспериментальное доказательство теории Юнга. Гельмгольц попросил испытуемого сопоставить цвета различных образцов источников света, регулируя яркость нескольких монохромных источников света. Он пришёл к выводу, что для сопоставления всех образцов необходимо и достаточно трёх источников света: в красной, зелёной и синей части спектра.

Принцип управления нагрузкой через Ардуино

Плата Ардуино имеет два типа портов вывода: цифровой и аналоговый (ШИМ-контроллер). У цифрового порта возможно два состояния – логический ноль и логическая единица. Если подключить к нему светодиод он либо будет светиться, либо не будет.

Аналоговый выход представляет собой ШИМ-контроллер, на который подаётся сигнал частотой около 500Гц с регулируемой скважностью. Что такое ШИМ-контроллер и принцип его работы можно найти в интернете

Через аналоговый порт  возможно не только включать и выключать нагрузку, а и изменять напряжение (ток) на ней.

Синтаксис команд

Цифровой вывод:

pinMode(12, OUTPUT); — задаём порт 12 портом вывода данных;digitalWrite(12, HIGH); — подаём на дискретный выход  12 логическую единицу, зажигая светодиод.

Аналоговый вывод:

analogOutPin = 3; – задаём порт 3 для вывода аналогового значения;analogWrite(3, значение); – формируем на выходе сигнал с напряжением от 0 до 5В

Значение – скважность сигнала от 0 до 255. При значении 255 максимальное напряжение

Способы управления светодиодами через Ардуино

Напрямую через порт можно подключить лишь слабый светодиод, да и то лучше через ограничительный резистор. Попытка подключить более мощную нагрузку выведет его из строя.

Для более мощных нагрузок, в том числе светодиодных лент, используют электронный ключ – транзистор.

Осветительные LED

Эти светодиоды применяются при освещении помещений и улиц в составе фонарей, автомобильных фар, светодиодных лент и т.д. В связи с этим обладают большой мощностью, высокой интенсивностью излучения, и выпускаются только в белом цвете в корпусах для поверхностного монтажа.

Обычно производятся две разновидности, различающиеся цветовой температурой: cool white (холодный белый) и warm white (теплый белый).

Поскольку кристаллов, излучающих белый свет, в природе не существует, при производстве осветительных светодиодов прибегают к различным технологиям смешения трех базовых цветов (RGB). От способа их сложения зависит цветовая температура получаемого белого света.

Одним из способов получения белого свечения является покрытие излучающего кристалла тремя слоями люминофора, причем каждый слой отвечает за свой базовый цвет. Другой метод состоит в нанесении двух слоев люминофора на кристалл голубого цвета.

1. Осветительные SMD LED

Большинство осветительных светодиодов также выпускаются в корпусах SMD. В отличие от индикаторных, характеризуются большей мощностью и производятся только в белом цвете.

Основная область применения SMD – светодиодные ленты и лампы, переносные фонари, фары автотранспорта. При этом они дают довольно направленное излучение (порядка 100⁰-130⁰), поэтому при освещении больших территорий приходится использовать большое количество этих LED для равномерной засветки площади.

Конструктивно осветительные SMD представляют собой покрытый люминофором излучающий кристалл на теплоотводящей подложке, обычно медной или алюминиевой. Встречаются как разновидности с линзой, так и без нее.

2. COB светодиоды

Большое распространение получили светодиоды типа COB (Chip On Board, чип на плате). По сути, это интеграция большого количества (обычно несколько десятков) кристаллов SMD в одном корпусе, которые потом покрываются люминофором.

На картинке вверху показаны для сравнения Cree SMD 5050 (слева) и COB – матрица из 36 чипов (справа).

COB используются только для освещения. Их световой поток на порядок больше, чем у одиночных SMD. Однако следует учесть, что эти светодиоды не подойдут для создания узконаправленного излучения ввиду большого угла рассеяния светового потока. При этом создать абсолютно ненаправленное излучение тоже не получится – угол рассеяния светодиодов менее 180⁰.

3. Filament LED

Этот тип светодиодов также используется пока только для освещения. Широкое распространение получили в качестве декоративной подсветки помещений. Спектр свечения, в отличие от SMD и COB, гораздо приятнее человеческому глазу и напоминает свет лампы накаливания. При этом сохраняются все присущие LED достоинства: низкое энергопотребление и долгий срок службы.

В этом ролике демонстрируется сравнение декоративной лампы накаливания мощностью 40 Вт и лампы Filament на 4 Вт:

Здесь видно, что при мощности в 10 раз меньше, световой поток, отдаваемый лампой Filament, в 3-4 раза больше.

В то же время КПД Filament даже выше, чем у тех же SMD, — при одинаковой мощности первые позволяют получить большую освещенность. Это достигается за счет технологии COG (Chip On Glass, чип на стекле), при которой светоизлучающие кристаллы устанавливаются на стеклянную подложку, а затем покрываются люминофором.

Сама подложка имеет цилиндрическую форму, что позволяет получить угол рассеяния светового потока 360⁰. То есть такие LED очень хороши при создании ненаправленного излучения.

Особенности изделий типа RGB

Светодиодная RGB подсветка имеет ряд характерных особенностей. Она может издавать свечение любого оттенка. Управление происходит при помощи специального пульта. Диод представленного типа включает в себя сразу 3 кристалла. Они издают красный, зеленый и синий цвет. Соединяясь в определенной пропорции, лучи производят необходимый оттенок. Поэтому название такого диода расшифровывается как R – red (красный), G – green (зеленый), B – blue (синий).

При помощи такой ленты можно создавать как полноценное освещение, так и просто контурную декоративную подсветку. Чаще всего на ленты представленного типа устанавливают диоды типа SMD 5050. Цифры в маркировке показывают размер люминофора.

Представленная конструкция обязательно включает в себя систему по отводу тепла. Это крайне необходимо для обеспечения долговечной эксплуатации электрического прибора. Подключение такой ленты к сети происходит при помощи специального блока питания. Он трансформирует входящий переменный ток бытовой сети, обеспечивая нормальные условия для функционирования системы. В схему включается также специальный контроллер, который управляет режимами свечения.

Зачем это делать

Эра настольных светильников, похоже, уже пересекла экватор своего жизненного цикла. Подсветить пространство возле монитора или клавиатуры можно им с помощью светодиодной ленты – такой вариант обойдётся значительно дешевле и в плане капитальных затрат, и касательно энергопотребления, при этом конечный результат как минимум будет не хуже.

В каких случаях используется такая подсветка? Вариантов несколько:

• для освещения рабочего пространства в зоне работы за компьютером. Здесь основной упор нужно делать на то, чтобы лента была смонтирована как можно выше;
• для мягкой подсветки рабочего места, чтобы быстро сориентироваться в темноте. Если монитор расположен на стене, ленту можно смонтировать в его задней части, желательно использовать светодиоды одного цвета;
• для подсветки системника. Сегодня дизайнерский компьютер – уже не экзотика, встречаются системные блоки с прозрачной боковой крышкой, чтобы можно было наблюдать внутренности ПК. В тёмное время суток функцию освещения можно возложить на RGB-подсветку, установленную по периметру стенки;
• для освещения клавиатуры, если вы засиживаетесь за компьютером допоздна. Обычно излучения монитора для этих целей бывает недостаточно;
• наконец, светодиодную ленту можно использовать для декоративной подсветки письменного стола, являющегося вашим рабочим местом. Вариантов её расположения масса – например, по торцу столешницы, под ней или на стенке. Такое освещение позволит выполнять многие дела без необходимости включать общее освещение комнаты.

Важным преимуществом использования светодиодной ленты можно назвать отсутствие необходимости в дополнительной проводке – проводов, идущих от компьютера и периферии, и так всегда много. И отдельная розетка не потребуется, а с этим тоже часто возникают проблемы. Такая подсветка сможет без заметного ухудшения характеристик проработать до 10 лет.

Расчет мощности — формула

Один из главных вопросов — как определить нужную мощность усилителя? Тут все достаточно просто и напоминает расчет при выборе блока питания.

Итак, чтобы узнать, какой RGB усилитель вам нужен, мощность одного метра ленты умножаете на всю ее длину и на коэффициент запаса (K=1,2).

Этот коэффициент необходим, чтобы устройство не перегружалось и исправно проработало весь заявленный срок службы.

Рассмотрим все на конкретном примере. Допустим вам нужно
подключить 20 метров Led ленты RGBW SMD 5050/60 диодов на метр.

Мощность одного метра такого изделия составляет 14,4Вт/м.

В данном случае усилитель нужно выбирать по формуле:

P=14,4*20*1,2=345,6Вт

Если вы обратите внимание, то на коробочках этих девайсов обычно указывается ампераж и входное напряжение, но никак не мощность в ваттах. Что же делать?

Тут все еще проще. Чтобы получить заветную расчетную цифру, воспользуемся формулой, известной из школьного курса физики: I=P/U

В выше рассмотренном примере имеем:

Получается, что в данном случае вам нужен RGB усилитель на
30А.

Если вам требуется подключить не RGB, а монохромную
одноцветную ленту, оптимальным вариантом будет использование только одной
«минусовой» клеммы — R или G или B. Выбирайте любую на свой вкус,
разницы здесь нет никакой.

Единственное что вам нужно учесть, общий ампераж усилителя нужно разделить на три.

И именно с такой мощностью и подбирать монохромную светодиодную ленту.