Как устроены 3 цветные LED диоды
С точки зрения конструкции, RGB LED — это три цветных светодиода, установленные в один корпус, или, как говорят специалисты, на одной матрице. Обычные виды мощных осветительных приборов содержат три чипа одного цвета. У многоцветных используются красный, зеленый и синий кристаллы (английское Red Green Blue образует аббревиатуру, обозначающую трехцветные светодиоды).
Каждый из них имеет самостоятельное подключение к источнику питания, поэтому вместо обычных двух выводов у них как минимум 4 контакта — по одному на каждый кристалл и один общий. Это позволяет задействовать один из трех чипов, создавать различные сочетания, менять и смешивать цвета в группе. Если режим подключения отдельных кристаллов упорядочить с помощью микроконтроллера, можно получить массу интересных световых эффектов. Подобные технологии известны давно и используются в цветной печати, в устройстве цветных телевизоров и т.п.
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.
Виды
Существует несколько разновидностей RGB светодиодов:
- элементы с общим катодом, которые управляются положительными сигналами, подаваемыми на аноды чипов. Такие элементы маркируются буквами CA;
- с общим анодом. Комaнды на изменение режима работы идут на катоды элементов. Маркировка CC;
- собственной парой контактов для каждого кристалла (6 выводов).
Такое разнообразие вариантов создавалось для облегчения процессов управления группами устройств. Наибольшую самостоятельность демонстрирует третья группа — с 6 выводами. Единый стандарт на распиновку так и не принят, поэтому в каждом случае необходимо определять тип полярности RGB светодиодов.
Полный текст программы
const int buttonPin=2; boolean lastButtonState = LOW; boolean buttonState = LOW; int RLED = 9; int GLED = 10; int BLED = 11; int ledMode = 0; void setup(){ Serial.begin(9600); pinMode (buttonPin , INPUT); pinMode(RLED, OUTPUT); pinMode(GLED, OUTPUT); pinMode(BLED, OUTPUT); } void setMode(int mode){ if (mode == 1){ digitalWrite(RLED, HIGH); digitalWrite(GLED, LOW); digitalWrite(BLED, LOW); }else if (mode == 2){ digitalWrite(RLED, LOW); digitalWrite(GLED, HIGH); digitalWrite(BLED, LOW); }else if (mode == 3){ digitalWrite(RLED, LOW); digitalWrite(GLED, LOW); digitalWrite(BLED, HIGH); }else if (mode == 4){ analogWrite(RLED, 127); analogWrite(GLED, 0); analogWrite(BLED, 127); }else if (mode == 5){ analogWrite(RLED, 0); analogWrite(GLED, 127); analogWrite(BLED, 127); }else if (mode == 6){ analogWrite(RLED, 127); analogWrite(GLED, 127); analogWrite(BLED, 0); }else if (mode == 7){ analogWrite(RLED, 85); analogWrite(GLED, 85); analogWrite(BLED, 85); }else{ digitalWrite(RLED, LOW); digitalWrite(GLED, LOW); digitalWrite(BLED, LOW); } } boolean debounce(boolean last){ boolean current = digitalRead(buttonPin ); if (last != current){ delay(3); current = digitalRead(buttonPin ); return current; } } void loop(){ buttonState = debounce(lastButtonState); if (lastButtonState == LOW && buttonState == HIGH){ ledMode++; if (ledMode == 8){ ledMode = 0; } setMode( ledMode ); } lastButtonState = buttonState; }
Подключение
Самым простым способом присоединения RGB светодиодов к источнику питания считается подключение к микроконтроллеру Arduino. Общий вывод (обычно он самый длинный) припаивается к контакту «Gnd», а остальные присоединяют к соответствующим точкам, отмеченным как D12, D10 и D9. Напрямую паять контакты нельзя, каждый из них (кроме общего) должен иметь токоограничивающий резистор.
При подключении светодиода с общим анодом используется отрицательный контакт «Gnd», расположенный в том же ряду, что и катоды. Если используется подключение с общим катодом, используется плюсовой контакт «Gnd» с противоположного ряда.
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.
Управление
Управление работой RGB светодиодов проще всего осуществлять с помощью микроконтроллера Ардуино. Изменение цветности происходит путем смешивания двух или трех цветов в разных соотношениях. Если все чипа горят на полную яркость, результатом будет белый цвет свечения. Для изменения оттенка и получения нужных цветов необходимо контролировать яркость каждого кристалла. Это делается методом широтно-импульсной модуляции. На управляющие контакты подаются сигналы прямоугольной формы с разной скважинностью. Чем шире пик (или ниже скважинность), тем ярче светится кристалл.
Есть способы управления RGB светодиодами аналоговыми методами. Собирается схема на транзисторах, которые регулируют яркость соответствующих кристаллов. В обоих случаях важно правильно определить полярность светодиодов, иначе ожидаемого эффекта не будет.
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.
RGBW светодиоды
Получить чистый белый свет на стандартных RGB устройствах достаточно сложно. Проблема заключается в регулировке яркости. Если нужен белый, но довольно тусклый оттенок, приходится очень точно настраивать питание трех кристаллов. Учитывая, что каждый из них имеет собственный номинал напряжения, изменяющийся нелинейно, получать неяркие тона — сложная задача.
Для упрощения процесса и увеличения возможностей светодиодов выпускают четырехцветные, или RGBW устройства (от английского Red, Green. Blue и White). Дополнительный белый чип снимает нагрузку с контроллера, облегчает расчеты и увеличивает качество цветопередачи. Питание таких устройств обеспечивается специальными контроллерами с инфpaкрасными ПДУ.
Алгоритм монтажа светодиодной полосы
Изначально лента идет с припаянными к контактам отрезками проводов 4-х цветов, где желтый предназначен для подачи общего положительного импульса. Остальные соединяются согласно оттенку – красный, синий и зеленый. Но часто бывает, что длина отрезка велика и ее необходимо укоротить. На RGB-ленте указаны места, предназначенные для деления. Контакты на них промаркированы (R, G, B и +V). После того как отрезана необходимая длина, к ним припаиваются провода для коммутации.
Сейчас в магазинах можно найти и специальные коннекторы, которые позволяют обойтись без пайки. Они могут быть простыми (без жесткой фиксации) либо профессиональными. Для зажима контактов таких коннекторов используется специальный инструмент – кримпер.
Применение
Все RGB светодиоды применяются для декорирования и оформления объектов. Они выполняют разные задачи:
- создают подсветку рекламы;
- световые эффекты на концертных площадках;
- оформление развлекательных мероприятий;
- украшение и парадная подсветка зданий;
- декорирование фонтанов, памятников, мостов и т.д.
Интересно! Кроме этого, входит в моду световое оформление интерьеров помещений, в котором активно используются дизайнерские многоцветные решения. При изменении оттенка свечения визуально меняется цвет мебели, помещение получает новый, непривычный облик.
Программа и режимы
При нажатии на кнопку, в программе будут переключаться режимы светодиодов. Для этого напишем функцию, которая будет принимать на вход состояние счетчика и зажигать светодиод определенным образом.
void setMode(int mode){ if (mode == 1){ // только красный digitalWrite(RLED, HIGH); digitalWrite(GLED, LOW); digitalWrite(BLED, LOW); }else if (mode == 2){ // только зеленый digitalWrite(RLED, LOW); digitalWrite(GLED, HIGH); digitalWrite(BLED, LOW); }else if (mode == 3){ // только синий digitalWrite(RLED, LOW); digitalWrite(GLED, LOW); digitalWrite(BLED, HIGH); } }
Добавим еще несколько режимов смешивания цветов для того, чтобы получить разные оттенки. В результате мы увидим на что способен RGB светодиод и почему их так часто используют в современных источниках освещения.
Вы можете и сами дописать любые режимы для светодиода и даже использовать возможности ШИМ пинов Ардуино, чтобы плавно изменять цвета.
Переключаем режимы
Основные выводы
Использование RGB светодиодов постоянно расширяется. Они выполняют различные задачи:
- создание динамичных световых эффектов;
- украшение зданий, сооружений, интерьеров;
- подсветка и акцентирование рекламных конструкций;
- оформление массовых мероприятий, концертов, представлений.
Область использования RGB светодиодов увеличивается и активно развивается. Возникают новые варианты подсветки. Разpaбатываются программные пакеты для использования в микроконтроллерах. Свои способы использования RGB светодиодов излагайте в комментариях.
Где применяется
Использование LED-светильников линейного типа получило широкое распространение и встречается во многих областях человеческой деятельности. Основным направлением является дизайн:
- оформление интерьеров;
- украшение фасадов зданий;
- подсветка участков, элементов ландшафтного дизайна;
- оформление игровых клавиатур;
- подсветка салонов и наружных элементов автомобилей;
- украшение витрин, стендов, различных панелей и коробов
- влагозащищенные виды RGB подсветки устанавливают в бассейнах, саунах и прочих влажных помещениях.
Популярность у гeймеров приобрели специальные игровые компьютерные клавиатуры с RGB подсветкой. Они оснащены различными типами механических переключателей наподобие Cherry Blue Switch или их аналогов. Основным назначением такой подсветки является украшение клавиатуры, но пользователи отмечают удобство использования в темных помещениях, возможность изменения режима свечения в разных ситуациях или условиях.
