Двухцветные и трехцветные светодиоды

В основе идеи создания трехцветного светодиода лежит оптический эффект получения разнообразных оттенков путем смешивания 3-х базовых цветов. В качестве базовых цветов обычно используются красный (R), зеленый (G) и синий (B). Поэтому был создан именно rgb светодиод.

Как устроены 3 цветные led диоды

Конструктивно трехцветный светодиод представляет собой 3 цветных светодиода, смонтированных в общем корпусе, а если быть более точным, 3 кристалла, интегрированных на одной матрице. На рис.1 представлена микрофотография интегрального rgb светодиода. Цветные квадраты на фото – это кристаллы основных цветов.

Рис. 1

Виды

Для адаптации к разным вариантам схемы управления, ргб диоды производятся в нескольких модификациях:

• Исполнение с общим катодом
• Исполнение с общим анодом
• Без общего анода или катода, с шестью выводами

В первом случае светодиод управляется сигналами положительной полярности, поступающими на аноды, во втором – отрицательными импульсами, подаваемыми на катоды. Третья модификация исполнения допускает любые варианты коммутации и выпускается обычно в виде SMD компонента.

Подключение

В качестве примера приведем схему подключения ргб диодов к универсальному блоку автоматики Arduino, созданному на базе микроконтроллера ATMEGA. На рис. 2 показана схема подключения rgb led с общим катодом.

Рис. 2

Ниже схема с общим анодом:

Рис. 3

Выводы RGB в обоих случаях подключаются к цифровым выходам (9, 10,12). Общий катод на Рис.2 соединен с минусом (GND), общий анод на Рис.3 – с плюсом питания (5V).

Arduino — простой контроллер для начинающих роботехников, позволяющий создавать на своей базы различные устройства, от обычной цветомузыки на светодиодах до интеллектуальных роботов.

Управление

Включение светодиода происходит при прохождении прямого тока, когда анод подключен к плюсу, катод к минусу. Многоцветный спектр излучения можно получить, изменяя интенсивность свечения каналов (RGB). Результирующий оттенок определяется соотношением яркостей отдельных цветов. Если все 3 цвета одинаковы по интенсивности свечения, результирующий цвет получается белым.

На цифровых выходах платы Arduino формируются периодические прямоугольные импульсы напряжения, как на рисунке 4., с изменяемой скважностью.

Рис. 4

Для тех, кто забыл. Скважностью называется отношение длительности периода следования импульсов к длительности импульса.

Чем ниже скважность импульсов канала, тем ярче свечение соответствующего led диода. Программа управления скважностью импульсов цветовых каналов зашита в микросхеме контроллера. Такое изменение скважности импульсов, осуществляемое в целях управления процессом, называется ШИМ (широтно – импульсной модуляцией).

На Рис.4 приведены примеры диаграмм прямоугольных импульсов различной скважности.

Управление цветом и интенсивностью свечения rgb диода может осуществляться и без ШИМ. На приведенной ниже схеме применено аналоговое управление трехцветными светодиодами. Суть его заключается в регулировании постоянного тока диодов определенного цвета.

Рис. 5

На схеме (Рис.5) rgb диоды (led1- led10) имеют общий анод. Катоды одного цвета всех диодов объединены, и через резисторы R4.1, R4.2, R4.3 соединяются с эмиттером соответствующего транзистора. Таким образом, все светодиоды красного цвета подключены к транзистору VT1.1, зеленые светодиоды – к VT1.2, синие – к VT1.3. При перемещении движков потенциометров R1.1, R1.2, R1.3 изменяется ток базы соответствующего транзистора. Величина тока базы определяет степень открытия перехода «эмиттер – коллектор», и, в конечном счете, яркость свечения соответствующего цвета. Перед подключением нужно правильно определить полярность светодиода, иначе он не будет светиться.

Применение цифровых программируемых контроллеров предоставляет практически безграничные возможности управления цветом. В тех же случаях, когда не требуется создание цветовых динамических образов, может быть применен аналоговый способ управления. Это могут быть наружные или интерьерные светильники для статической подсветки с выбором цвета.

Кстати. Применение такого регулирования в системах подсветки панелей приборов транспортных средств позволяет водителю выбирать любой оттенок и яркость.

RGBW светодиоды

Для того чтобы получить чисто белый цвет, используя разноцветный rgb светодиод, необходима точная балансировка яркости свечения по кристаллу каждого цвета. На практике это бывает затруднительно. Поэтому, для воспроизведения белого цвета и увеличения разнообразия цветовых эффектов, rgb диод стали дополнять четвертым кристаллом белого свечения. Чаще всего, RGBW светодиоды используются в светодиодных лентах RGBW SMD. Для питания таких светодиодных лент созданы специальные RGBW контроллеры, как правило, управляемые пультами дистанционного управления на инфракрасных лучах.

На фотографии представлен мощный четырехцветный светодиодный модуль SBM-160-RGBW-H41-RF100 производства Luminus Devices Ink.

Рис. 6

Применение

Основной сферой применения rgb светодиодов является создание световых эффектов для рекламы, сценическое оформление концертных площадок, развлекательных мероприятий, праздничное декорирование зданий, подсветка фонтанов, мостов, памятников.  Интересные результаты получаются при использовании rgb led диодов для дизайнерского светового оформления интерьеров. Для этих целей налажен выпуск разнообразной светотехники на основе rgb и rgbw – диодной технологии, номенклатура которой продолжает расширяться и завоевывать новые области применения.

Видео

Для закрепления рассмотренного материала рекомендуем посмотреть видео, автор которого очень доходчиво и интересно рассказывает про многоцветные RGB светодиоды.

Вывод

Многоцветный RGB светодиод — это разновидность обычного LED. Его конструктивная особенность позволяет получить любой спектр излучаемого цвета радуги. Это одновременно увеличивает его стоимость и усложняет схему подключения. Поэтому перед выбором, задайтесь вопросом, действительно ли Вам нужен RGB светодиод или достаточно воспользоваться обычным LED нужного цвета?

RGB  – английская аббревиатура, расшифровывающаяся как «красный, зеленый, синий». Соответственно, rgb светодиод имеет внутри три самостоятельных источника света. В зависимости от своего строения. Такие светодиоды могут иметь один общий анод либо катод. Весь эффект заключается в особенностях нашего зрения. Если рядом друг с другом расположить диоды, дающие красное и синие свечение, на дальности в несколько метров свет от них сольется и получится фиолетовый.

Если в этот спектр добавить еще и зеленый, в данном случае свет станет просто белым. В статья изложены все особенности строения, устройства rgb светодиода, а также в каких сферах они используются. В качестве бонуса в статье есть несколько видеоматериалов и одна интересная научная статья по этому вопросу.

Светодиод трехцветный.

Устройство и сферы применения

Конструктивно RGB–светодиоды представляют собой три светодиодных кристалла с одной оптической линзой, расположенные в одном корпусе. Управление цветом происходит с помощью подачи электрических сигналов на выводы каждого светодиодного кристалла, а сочетание излучений всех трех светодиодов позволяет регулировать итоговый цвет. Для примера, ниже представлен самый популярный RGB–светодиод SMD 5050.

Светодиод RGB– это полноцветный светодиод, смешивая три цвета в разной пропорции можно отобразить любой цвет. К примеру, если зажечь все три цвета на полную мощность, получится свечение белого цвета. 

Сферы применения RGB светодиодов напрямую связаны с развитием рынка рекламы и развлекательных мероприятий. Также готовые RGB–светильники и ленты применяются в области светового оформления архитектурных и дизайнерских решений — ночная подсветка зданий или фонтанов, интерьерный свет, индикаторный системы автомобилей и т.д.

Таблица длины волн светодиодов smd 5050, различного свечения

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.

Для упрощения систем управления светом в корпуса некоторых серий многоцветных LED–источников света вмонтированы управляющие микросхемы. Схемы расположения выводов (распиновка) Несколько стандартных схем управления определяют структуру внешних выводов RGB–светодиодов и их соединение внутри корпуса. Существует три основных схемы распиновки, которые соблюдаются на большинстве выпускаемых изделий:

• В схеме с общим катодом для управления используется три независимых вывода анода, а катодные выводы LED-кристаллов соединены между собой;
• Распиновка с общим анодом управляется отрицательными импульсами на катодные выводы, а вместе соединены уже анодные электроды светодиодных кристаллов;
• Независимая схема соединения имеет шесть выводов по числу LED кристаллов, соединений внутри корпуса не производится.

Будет интересно➡  Как устроен туннельный диод?

Единого стандарта на распиновку не существует, конкретный тип расположения внешних выводов применяют в зависимости от поставленных задач. При отсутствии документов на светодиодное изделие тип внешних выводов легко определить с помощью мультиметра. В режиме прозвонки светодиод будет светиться (мощные светодиоды очень слабо), а мультиметр издавать звук соединения, если красный щуп мультиметра подсоединен к аноду светодиодного кристалла, а черный к его катоду. В случае обратного подключения никаких видимых и слышимых эффектов просто не будет.

Три светодиода и их размеры

Простейший способ подключения и управления режимами работы RGB–светодиодов реализуется с помощью стандартных микроконтроллеров Arduino. Общий вывод подключается к единой шине микроконтроллера, а управляющие сигналы подаются на выводы LED–кристаллов через ограничительные резисторы.Управление режимами свечения светодиодных кристаллов происходит с помощью широтной-импульсной модуляции, где скважность импульсов определяет силу света. Программирование ШИМ–модулятора определяет итоговый цвет всего прибора или циклические режимы работы каждого цвета.

Материал по теме: Что такое реле времени

Как устроены 3 цветные led диоды

Конструктивно трехцветный светодиод представляет собой 3 цветных светодиода, смонтированных в общем корпусе, а если быть более точным, 3 кристалла, интегрированных на одной матрице. На рис.1 представлена микрофотография интегрального rgb светодиода. Цветные квадраты на фото – это кристаллы основных цветов. Для отображения всей палитры оттенков вполне достаточно три цвета, используя RGB синтез (Red — красный, Green — зеленый, Blue — синий). RGB палитра используется не только в графических редакторах, но и в сайтостроении. Смешивая цвета в разной пропорции можно получить практически любой цвет. Преимущества RGB светодиодов в простоте конструкции, небольших габаритах и высоком КПД светоотдачи.

RGB светодиоды объединяют три кристалла разных цветов в одном корпусе. RGB LED имеет 4 вывода — один общий (анод или катод имеет самый длинный вывод) и три цветовых вывода. К каждому цветовому выходу следует подключать резистор. Кроме того, модуль RGB LED Arduino может сразу монтироваться на плате и иметь встроенные резисторы — этот вариант более удобный для занятий в кружке робототехники.

Виды

Для адаптации к разным вариантам схемы управления, ргб диоды производятся в нескольких модификациях:

• Исполнение с общим катодом
• Исполнение с общим анодом
• Без общего анода или катода, с шестью выводами

В первом случае светодиод управляется сигналами положительной полярности, поступающими на аноды, во втором – отрицательными импульсами, подаваемыми на катоды. Третья модификация исполнения допускает любые варианты коммутации и выпускается обычно в виде SMD компонента.

Светимость светодиодов.

Подключение

В качестве примера приведем схему подключения ргб диодов к универсальному блоку автоматики Arduino, созданному на базе микроконтроллера ATMEGA. На рис. 2 показана схема подключения rgb led с общим катодом. Выводы RGB в обоих случаях подключаются к цифровым выходам (9, 10,12). Общий катод на Рис.2 соединен с минусом (GND), общий анод на Рис.3 – с плюсом питания (5V). Arduino — простой контроллер для начинающих роботехников, позволяющий создавать на своей базы различные устройства, от обычной цветомузыки на светодиодах до интеллектуальных роботов.

Будет интересно➡  Что такое тиристоры?

Управление

Включение светодиода происходит при прохождении прямого тока, когда анод подключен к плюсу, катод к минусу. Многоцветный спектр излучения можно получить, изменяя интенсивность свечения каналов (RGB). Результирующий оттенок определяется соотношением яркостей отдельных цветов. Если все 3 цвета одинаковы по интенсивности свечения, результирующий цвет получается белым.

Для тех, кто забыл. Скважностью называется отношение длительности периода следования импульсов к длительности импульса. Чем ниже скважность импульсов канала, тем ярче свечение соответствующего led диода. Программа управления скважностью импульсов цветовых каналов зашита в микросхеме контроллера. Такое изменение скважности импульсов, осуществляемое в целях управления процессом, называется ШИМ (широтно – импульсной модуляцией). Управление цветом и интенсивностью свечения rgb диода может осуществляться и без ШИМ. На приведенной ниже схеме применено аналоговое управление трехцветными светодиодами. Суть его заключается в регулировании постоянного тока диодов определенного цвета.

Катоды одного цвета всех диодов объединены, и через резисторы R4.1, R4.2, R4.3 соединяются с эмиттером соответствующего транзистора. Таким образом, все светодиоды красного цвета подключены к транзистору VT1.1, зеленые светодиоды – к VT1.2, синие – к VT1.3. При перемещении движков потенциометров R1.1, R1.2, R1.3 изменяется ток базы соответствующего транзистора. Величина тока базы определяет степень открытия перехода «эмиттер – коллектор», и, в конечном счете, яркость свечения соответствующего цвета. Перед подключением нужно правильно определить полярность светодиода, иначе он не будет светиться.

Применение цифровых программируемых контроллеров предоставляет практически безграничные возможности управления цветом. В тех же случаях, когда не требуется создание цветовых динамических образов, может быть применен аналоговый способ управления. Это могут быть наружные или интерьерные светильники для статической подсветки с выбором цвета. Кстати. Применение такого регулирования в системах подсветки панелей приборов транспортных средств позволяет водителю выбирать любой оттенок и яркость.

RGBW светодиоды

Для того чтобы получить чисто белый цвет, используя разноцветный rgb светодиод, необходима точная балансировка яркости свечения по кристаллу каждого цвета. На практике это бывает затруднительно. Поэтому, для воспроизведения белого цвета и увеличения разнообразия цветовых эффектов, rgb диод стали дополнять четвертым кристаллом белого свечения. Чаще всего, RGBW светодиоды используются в светодиодных лентах RGBW SMD. Для питания таких светодиодных лент созданы специальные RGBW контроллеры, как правило, управляемые пультами дистанционного управления на инфракрасных лучах.

Свет от светодиодов RGB

Смешение цветов

Чем RGB-светодиод, лучше трех обычных? Всё дело в свойстве нашего зрения смешивать свет от разных источников, размещенных близко друг к другу. Например, если мы поставим рядом синий и красный светодиоды, то на расстоянии несколько метров их свечение сольется, и глаз увидит одну фиолетовую точку. А если добавим еще и зеленый, то точка покажется нам белой. Именно так работают мониторы компьютеров, телевизоры и уличные экраны.

Будет интересно➡  Как расшифровать цветовую маркировку транзисторов?

Матрица телевизора состоит из отдельно стоящих точек разных цветов. Если взять лупу и посмотреть через нее на включенный монитор, то эти точки можно легко увидеть. А вот на уличном экране точки размещаются не очень плотно, так что их можно различить невооруженным глазом. Но с расстояния несколько десятков метров эти точки неразличимы.

Получается, что чем плотнее друг к другу стоят разноцветные точки, тем меньшее расстояние требуется глазу чтобы смешивать эти цвета. Отсюда вывод: в отличие от трех отдельностоящих светодиодов, смешение цветов RGB-светодиода заметно уже на расстоянии 30-70 см. Кстати, еще лучше себя показывает RGB-светодиод с матовой линзой.

Как изменяется цвет свечения

Регулировка цвета осуществляется путем регулировки яркости излучения каждым из кристаллов. Мы уже рассматривали способ регулировки яркости светодиодов с помощью ШИМ-контроллера. RGB-контроллер для ленты работает по такому же принципу, в нём стоит микропроцессор, который управляет минусовым выводом источника питания – подключает и отключает его от цепи соответствующего цвета. Обычно в комплекте с контроллером идёт пульт дистанционного управления. Контроллеры бывают разной мощности, от этого зависит их размер, начиная от такого миниатюрного.

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Так как сечение дорожек на ленте не позволяет подключать последовательно с ней следующий отрезок ленты, если длина первого превышает 5м, нужно подключать второй отрезок проводами напрямую от РГБ-контроллера. Но можно выйти из положения, и не тянуть допоkнительных 4 провода на 5 метров от контроллера и использовать RGB-усилитель. Для его работы нужно протянуть всего 2 провода (плюс и минус 12В) или запитать еще один блок питания от ближайшего источника 220В, а также 4 «информационных» провода от предыдущего отрезка (R, G и B) они нужны для получения команд от контроллера, чтобы вся конструкция светилась одинаково. А к усилителю уже подключают следующий отрезок, т.е. он использует сигнал с предыдущего куска ленты. То есть вы можете запитать ленту от усилителя, который будет расположен непосредственно возле неё, тем самым сэкономив деньги и время на прокладку проводов от первичного RGB-контроллера.

Светодиодная лента.

Заключение

Более подробно о светодиодах  и способе их управления рассказано в статье Как управлять светодиодом. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов.

Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vк.coм/еlеctroinfonеt. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.electrik.info

www.robotclass.ru

www.ledjournal.info

www.ledno.ru

www.xn--18-6kcdusowgbt1a4b.xn--p1ai

На предыдущем уроке мы уже попробовали зажигать и гасить с помощью Ардуино обычный светодиод. Теперь же разберемся с многоцветным светодиодом, который часто называют сокращенно: RGB-светодиод. RGB — это аббревиатура, которая расшифровывается как: Red — красный, Green — зеленый, Blue — синий. То есть внутри этого устройства размещается сразу три отдельных светодиода. В зависимости от типа, RGB-светодиод может иметь общий катод или общий анод.

1. Смешение цветов

Чем RGB-светодиод, лучше трех обычных? Всё дело в свойстве нашего зрения смешивать свет от разных источников, размещенных близко друг к другу. Например, если мы поставим рядом синий и красный светодиоды, то на расстоянии несколько метров их свечение сольется, и глаз увидит одну фиолетовую точку. А если добавим еще и зеленый, то точка покажется нам белой. Именно так работают мониторы компьютеров, телевизоры и уличные экраны. Матрица телевизора состоит из отдельно стоящих точек разных цветов. Если взять лупу и посмотреть через нее на включенный монитор, то эти точки можно легко увидеть. А вот на уличном экране точки размещаются не очень плотно, так что их можно различить невооруженным глазом. Но с расстояния несколько десятков метров эти точки неразличимы. Получается, что чем плотнее друг к другу стоят разноцветные точки, тем меньшее расстояние требуется глазу чтобы смешивать эти цвета. Отсюда вывод: в отличие от трех отдельностоящих светодиодов, смешение цветов RGB-светодиода заметно уже на расстоянии 30-70 см. Кстати, еще лучше себя показывает RGB-светодиод с матовой линзой.

2. Подключение RGB-светодиода к Ардуино

Поскольку многоцветный светодиод состоит из трех обычных, мы будем подключать их отдельно. Каждый светодиод соединяется со своим выводом и имеет свой отдельный резистор. В уроке мы используем RGB-светодиод с общим катодом, так что провод к земле будет только один. Принципиальная схемаВнешний вид макета

3. Программа для управления RGB-светодиодом

Составим простую программу, которая будет по очереди зажигать каждый из трех цветов.

const byte rPin = 3;  const byte gPin = 5;  const byte bPin = 6;    void setup() {      pinMode( rPin, OUTPUT );      pinMode( gPin, OUTPUT );      pinMode( bPin, OUTPUT );  }    void loop() {      // гасим синий, зажигаем красный      digitalWrite( bPin, LOW );      digitalWrite( rPin, HIGH );      delay( 500 );      // гасим красный, зажигаем зеленый      digitalWrite( rPin, LOW );      digitalWrite( gPin, HIGH );      delay( 500 );      // гасим зеленый, зажигаем синий      digitalWrite( gPin, LOW );      digitalWrite( bPin, HIGH );      delay( 500 );  }

Загружаем программу на Ардуино и наблюдаем результат. Немного оптимизируем программу: вместо переменных rPin, gPin и bPin применим массив. Это нам поможет в следующих заданиях.

const byte rgbPins[3] = {3,5,6};    void setup() {      for( byte i=0; i i++ )          pinMode( rgbPins[i], OUTPUT );  }    void loop() {      digitalWrite( rgbPins[2], LOW );      digitalWrite( rgbPins[0], HIGH );      delay( 500 );      digitalWrite( rgbPins[0], LOW );      digitalWrite( rgbPins[1], HIGH );      delay( 500 );      digitalWrite( rgbPins[1], LOW );      digitalWrite( rgbPins[2], HIGH );      delay( 500 );  }

4. Семь цветов радуги

Теперь попробуем зажигать одновременно по два цвета. Запрограммируем такую последовательность цветов:

• красный
• красный + зеленый = желтый
• зеленый
• зеленый + синий = голубой
• синий
• синий + красный = фиолетовый

Оранжевый цвет мы для упрощения опустили. Так что, получилось шесть цветов радуги 🙂

const byte rgbPins[3] = {3,5,6};  const byte rainbow[6][3] = {      {1,0,0}, // красный      {1,1,0}, // жёлтый      {0,1,0}, // зелёный      {0,1,1}, // голубой      {0,0,1}, // синий      {1,0,1}, // фиолетовый  };    void setup() {      for( byte i=0; i i++ )          pinMode( rgbPins[i], OUTPUT );  }    void loop() {      // перебираем все шесть цветов      for( int i=0; i<6; i+{          // перебираем три компоненты каждого из шести цветов          for( int k=0; k k++ ){              digitalWrite( rgbPins[k], rainbow[i][k] );          }          delay( 1000 );      }  }

В результате работы программы получается:

5. Плавное изменение цвета

Мы не зря подключили RGB-светодиод к выводам 3, 5 и 6. Как известно, эти выводы позволяют генерировать ШИМ сигнал разной скважности. Другими словами, мы можем не просто включать или выключать светодиод, а управлять уровнем напряжения на нем. Делается это с помощью функции analogWrite. Сделаем так, что наш светодиод будет переходить между цветами радуги не скачкообразно, а плавно.

const byte rgbPins[3] = {3,5,6};  int dim = 1;    void setup() {      for(byte i=0; i i++){          pinMode( rgbPins[i], OUTPUT );      }      // начальное состояние - горит красный цвет      analogWrite(rgbPins[0], 255);      analogWrite(rgbPins[1], 0);      analogWrite(rgbPins[2], 0);  }    void loop() {      // гасим красный, параллельно разжигаем зеленый      for(int i=255; i>=0; i--){          analogWrite( rgbPins[0], i/dim );          analogWrite( rgbPins[1], (255-i)/dim );          delay(10);      }      // гасим зеленый, параллельно разжигаем синий      for(int i=255; i>=0; i--){          analogWrite( rgbPins[1], i/dim );          analogWrite( rgbPins[2], (255-i)/dim );          delay(10);      }      // гасим синий, параллельно разжигаем красный      for(int i=255; i>=0; i--){          analogWrite( rgbPins[2], i/dim );          analogWrite( rgbPins[0], (255-i)/dim );          delay(10);      }  }

Переменная dim определяет яркость свечения. При dim = 1 имеем максимальную яркость. Загружаем программу на Ардуино.

Задания

1. Индикатор температуры. Добавим в схему термистор и подключим его к аналоговому входу. Светодиод должен менять свой цвет в зависимости от температуры термистора. Чем ниже температура, тем более синий цвет, а чем выше, тем более красный.
2. RGB лампа с регулятором. Добавим в схему три переменных резистора и подключим их к аналоговым входам. Программа должна непрерывно считывать значения резисторов и менять цвет соответствующей компоненты RGB-светодиода.

 2+Используемые источники:

• http://ledno.ru/svetodiody/trexcvetnye-rgb.html
• https://electroinfo.net/poluprovodniki/kak-ustroeny-mnogocvetnye-svetodiody.html
• https://robotclass.ru/tutorials/arduino-rgb-led/