1600萬色LED如何驅(qū)動?
發(fā)布時間:2020-01-13 來源:Bill Giovino 責任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】發(fā)光二極管 (LED) 是一種簡單經(jīng)濟的狀態(tài)信息顯示方法。但是,對于某些項目而言,一個單色LED可能不夠。而由于空間、成本或功耗限制,多個LED又可能不太現(xiàn)實。針對這些情況,多色LED提供了一種有效的解決方案,前提是這種LED能與微控制器正確連接。
本文將首先闡述LED的基礎(chǔ)知識,然后討論多色LED的優(yōu)勢,之后介紹哪些是合適的多色LED解決方案,最后說明如何將LED連接到微控制器,以產(chǎn)生多達1600萬種不同的顏色。
LED的結(jié)構(gòu)與原理
在設(shè)計帶LED的電路時,務(wù)必記住這些器件不是白熾燈泡,而是恰好能發(fā)光的半導(dǎo)體器件(二極管)。作為二極管,它們通常只允許電流主要流向一個方向(二極管并不理想,因此在反向偏置時會產(chǎn)生少量電流)。
普通LED的發(fā)光部分是位于組件中心的簡單半導(dǎo)體二極管,由單個p-n結(jié)構(gòu)成(圖1)。電流從連接到P型硅的LED陽極流向連接到N型硅的LED陰極。在普通二極管中,p-n結(jié)通常是鍺 (Ge) 或硅 (Si)。然而,對于LED而言,這個結(jié)通常是透明的磷砷化鎵 (GaAsP) 或磷化鎵 (GaP) 半導(dǎo)體材料。
圖1:LED組件含有半導(dǎo)體p-n結(jié)芯片,可使電流從陽極流到陰極。帶透鏡的透明外殼可以讓用戶輕松看到產(chǎn)生的發(fā)射光。(圖片來源:維基百科)
利用透明的GaAsP或GaP,施加在p-n結(jié)上的正向電壓會從半導(dǎo)體釋放出光子。p-n結(jié)安裝在反射鏡腔上,而該鏡腔可將光子聚集到LED透鏡。LED的透鏡和本體由透明環(huán)氧樹脂組成,而樹脂可選擇性地進行著色,以匹配發(fā)射光的顏色。
反射鏡腔位于稱為鐵砧的引線框上,陰極通過接合線連接到稱為極柱的引線框上。鐵砧和極柱的形狀可使它們與LED環(huán)氧樹脂本體形成牢固連接,從而無法將陽極或陰極引腳從LED環(huán)氧樹脂本體上拉出,造成LED損壞。
單色LED
LED有多種顏色可供選擇,包括紅色、綠色、黃色、琥珀色、青色、橙色、粉色、紫色以及最近出現(xiàn)的白色和藍色。單色LED配備的半導(dǎo)體芯片由可產(chǎn)生所需光線波長的材料組成,并且LED環(huán)氧樹脂殼體組件通常具有相同的顏色。雖然不需要使透鏡具有與發(fā)射光相同的顏色,但重要的是,要容易識別LED元件的顏色,防止與其他LED混淆。
多色LED
對于某些空間、成本和功耗受限的系統(tǒng)而言,最好使用一個能發(fā)出多種顏色的LED。通常情況下,這種多色LED在一個透明環(huán)氧樹脂外殼內(nèi)部配備三個LED,分別是紅色、綠色和藍色 (RGB)。Adafruit Industries的2739 RGB LED就是一個很好的例子(圖2)。該LED專為多色指示燈而設(shè)計,配有一個寬2.5mm、高5 mm的矩形透鏡發(fā)光表面,以及四根可在PC板上進行通孔安裝的徑向引線。
圖2:Adafruit的2739 RGB LED采用寬2.5mm、高5mm的透明環(huán)氧樹脂矩形透鏡,并帶有四根徑向引線,用于在PC板上進行通孔安裝。(圖片來源:Adafruit Industries)
通常情況下,三個內(nèi)部LED中的任何一個均可以單獨使用,也可與其他LED結(jié)合使用,以產(chǎn)生不同的顏色。
多色RGB LED通常有三種引腳布局:
1)所有LED共用一個陽極,每個LED有一個陰極,總共四個引腳
2)所有LED共用一個陰極,每個LED有一個陽極,總共四個引腳
3)每個陽極和陰極都分配引腳,總共六個引腳
使用多色LED進行設(shè)計
Adafruit的2739 RGB LED具有一個共陽極,紅色、綠色和藍色LED的每個陰極都分配引腳,總共四個引腳(圖 3)。共陽極連接到正極電源,而每個紅色、綠色和藍色LED通過接地來接通。
圖3:Adafruit的2739 RGB LED具有一個共陽極,而紅色、綠色和藍色LED分別配有一個單獨的陰極。(圖片來源:Adafruit Industries)
如何生成多種顏色
如果某種應(yīng)用只需要顯示三種狀態(tài)中的一種,那么使用2739 RGB LED的最簡單方法是一次打開一個LED,用戶可以選擇紅色、綠色或藍色中的一種。
對于多種顏色,設(shè)計人員可以簡單地將兩種顏色組合在一起,提供以下六種顏色選項:
•紅色
•綠色
•藍色
•黃色(紅色 + 綠色)
•青色(綠色 + 藍色)
•洋紅色(紅色 + 藍色)
為了編制清晰的項目文檔,顯示的顏色應(yīng)該清晰易辨,并且易于口頭確認。例如,具有全電流的綠色LED可以在LED規(guī)格書中記錄為“綠黃色”。然而,當LED亮起時,大多數(shù)消費者和開發(fā)人員在被問及時,都會將顏色識別為“綠色”。無論顏色的實際名稱如何,用戶都應(yīng)該能夠通過視覺和標簽輕松區(qū)分出不同的顏色。很少有人能夠輕易地識別出“綠色”和“綠黃色”之間的區(qū)別,如果這兩種顏色并排呈現(xiàn),則可能將綠黃色識別為“綠色”,將綠色識別為“深綠色”。
對于更復(fù)雜的應(yīng)用,可以按不同的強度組合RGB,從而產(chǎn)生多達1600萬種顏色。實現(xiàn)這一目的的可靠方法是:將脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 信號應(yīng)用于每個LED,其中占空比與強度相對應(yīng)。人眼可以識別出200赫茲 (Hz) 或更慢的閃爍頻率,因此,為了避免閃爍,應(yīng)使用1000Hz或更快的PWM頻率。
顏色可通過RGB色碼輕松選擇。這基于RGB加色模型,其中紅光、綠光和藍光在強度上各不相同,組合在一起幾乎可以重新生成任何顏色。該模型適用于光線,是電視和顯示屏中色彩再現(xiàn)的依據(jù),還可用于呈現(xiàn)網(wǎng)頁上的顏色。
RGB色碼的簡寫用 (R,G,B) 表示,其中R、G和B是紅色、綠色和藍色強度的十進制值,范圍介于0到255之間。例如,藍色的十進制RGB色碼為 (0,0,255),紫色為 (128,0,128),銀色為 (192,192,192)。在確定每種顏色的PWM占空比時,需將這些值除以255,因此藍色的占空比為 (0,0,100%),紫色的占空比為 (50%,0,50%),銀色的占空比為 (75%,75%,75%)。
從理論上講,白光由 (255,255,255) 表示,并且可通過同時打開全強度的紅色、綠色和藍色LED來生成。然而,在實踐中,通過該方法產(chǎn)生的顏色通常是帶有偏藍色調(diào)的白色。出現(xiàn)這種色調(diào)是因為,生成的LED顏色與理想的紅色、綠色和藍色的精確波長不完全匹配。
微控制器很容易生成所需的PWM信號。Microchip Technology的ATSAMC21J18A就是一個合適的例子(圖4)。該微控制器是一款用于物聯(lián)網(wǎng)端點的低功耗器件,是該公司SAM C21微控制器系列產(chǎn)品之一。它配有48MHz Arm® Cortex®-M0+內(nèi)核,支持5伏I/O電壓。
圖4:ATSAMC21J18A微控制器具有定時器/計數(shù)器單元,能夠自動生成三個同步PWM信號。(圖片來源:Microchip Technology)
為了驅(qū)動LED,ATSAMC21J18A配有定時器/計數(shù)器單元,能夠自動生成三個同步PWM信號。SAM C21系列產(chǎn)品配有高電流阱選件,可使連接各電流阱的四個I/O引腳的最大電流為20毫安 (mA)。
使用LED時,選擇正確的串聯(lián)電阻器來限制電流非常重要。電阻值太小的電阻器會破壞LED,而電阻值過高的電阻器會導(dǎo)致光線昏暗或無光。串聯(lián)電阻器的值由每個LED的正向電壓和所需的電流決定。
LED是電流控制的半導(dǎo)體。此外,值得注意的是,由于材料的物理特性,LED的工作電壓會隨著發(fā)射光波長的減小而增加,這是使用多個LED時要考慮的重要因素。
當Adafruit的2739 RGB LED正向電流為20 mA時,Adafruit 圖表中規(guī)定的LED典型正向電壓為2伏(紅色)和3.2伏(綠和藍色)。
如果共陽極連接到5伏電壓,那么LED和I/O引腳之間的電阻值由以下等式確定:
其中:
VDD = 5伏
VOL = ATSAMC21J18A 的輸出低壓 = 0.1 x VDD = 0.5伏
VF = 正向電壓(典型值)
I = 正向電流,單位:安培
R = 電阻值,單位:歐姆 (Ω)
在I = 20mA的情況下使用該公式,結(jié)果是:RRED (VF = 2 V) = 125Ω,RGREEN = RBLUE (VF = 3.2V) = 65Ω。
如果計算出的電阻不能作為標準電阻值,開發(fā)人員可以選擇下一個較低值,或者下一個較高值(首選)。如果選擇較低值,則必須注意,不得超過該LED的最大正向電壓或ATSAMC21J18A I/O端口的最大電流灌入能力。雖然在超過這些最大值時LED仍然可以工作,但可能會降低LED的使用壽命,也可能隨著時間的推移,降低I/O端口的性能或損壞該端口。或者,如果應(yīng)用仍能接受較暗光線,則可以降低正向電流。例如,當正向電流為15mA時,Adafruit的2739 RGB LED指定正向電壓會降至1.9伏(紅色)和3.1伏(綠色和藍色),這樣會導(dǎo)致電阻值RRED = 173.3Ω,RGREEN = RBLUE = 93.3Ω。
由于ATSAMC21J18A可通過控制接地連接來控制LED,當I/O端口為邏輯低電平時,單個LED亮起;當I/O端口為邏輯高電平時,單個LED熄滅。因此,必須倒置計算出的RGB色碼占空比。例如,如果顏色需要25%的占空比,則PWM必須能產(chǎn)生75%的占空比,才能使LED在25%的周期時間內(nèi)工作。此外,如果LED必須在上電時熄滅,則微控制器啟動代碼必須能使三個引腳處于邏輯高電平。
ATSAMC21J18A配備256Kb閃存、32Kb RAM和各種模擬外設(shè)。該微控制器還配有六個串行通信模塊 (SERCOM),每個模塊都可以作為USART、SPI、LIN從器件或I2C接口
智能RGB LED設(shè)計
使用RGB LED生成多種顏色的另一種方法是對其進行編程。智能LED是一個術(shù)語,用來描述這種帶有可編程串行接口的多色LED。American Bright Optoelectronics的BL-HBGR32L-3-TRB-8就是一個很好的例子。它是一款5mm方形RGB LED,可以使用800千赫 (kHz) I2C接口進行編程,從而產(chǎn)生任何顏色(圖5)。
圖5: American Bright的BL-HBGR32L-3-TRB-8是一款尺寸為5mm的方形六引腳數(shù)字RGB LED,配有I2C直通引腳布局,可使多個器件以菊花鏈方式連接在同一I2C接口上。(圖片來源: American Bright Optoelectronics Corp.)
I2C接口不僅可以節(jié)省板空間,而且可以簡化微控制器代碼,這種便利性極大簡化了設(shè)計。ATSAMC21J18A上的一個SERCOM端口可配置為I2C串行接口,以便輕松連接到BL-HBGR32L-3-TRB-8。參考圖5中的引腳布局,來自ATSAMC21J18A微控制器的I2C數(shù)據(jù)信號連接到引腳1數(shù)據(jù)輸入信號,I2C時鐘連接到引腳2時鐘輸入。
在對BL-HBGR32L-3-TRB-8 LED的顏色進行編程時,需要發(fā)送四個代表全局亮度設(shè)置和RGB色碼的字節(jié),作為一個32位字。這款智能LED在引腳6上配有數(shù)據(jù)輸出直通,在引腳5上配有I2C時鐘直通,這樣可使多個LED能夠以菊花鏈方式連接在一起,以便每個LED可以顯示不同的顏色。
總結(jié)
了解多色RGB LED的驅(qū)動方式之后,不僅可以節(jié)省空間、成本和功耗,還可以增強終端系統(tǒng)、設(shè)備、狀態(tài)指示燈或照明系統(tǒng)的美觀性及用戶界面。開發(fā)人員既可以選擇能對每個LED進行完全控制的標準RGB LED,也可以選擇能對顏色進行編程控制的智能LED。此外,當涉及到通常用于產(chǎn)生PWM控制信號的微控制器時,目前有許多低功耗、低成本選項可供選擇。
推薦閱讀:
特別推薦
- 授權(quán)代理商貿(mào)澤電子供應(yīng)Same Sky多樣化電子元器件
- 使用合適的窗口電壓監(jiān)控器優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計
- ADI電機運動控制解決方案 驅(qū)動智能運動新時代
- 倍福推出采用 TwinSAFE SC 技術(shù)的 EtherCAT 端子模塊 EL3453-0090
- TDK推出新的X系列環(huán)保型SMD壓敏電阻
- Vishay 推出新款采用0102、0204和 0207封裝的精密薄膜MELF電阻
- Microchip推出新款交鑰匙電容式觸摸控制器產(chǎn)品 MTCH2120
技術(shù)文章更多>>
- 中微公司成功從美國國防部中國軍事企業(yè)清單中移除
- 華邦電子白皮書:滿足歐盟無線電設(shè)備指令(RED)信息安全標準
- 功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)(九)——功率半導(dǎo)體模塊的熱擴散
- 準 Z 源逆變器的設(shè)計
- 第12講:三菱電機高壓SiC芯片技術(shù)
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
單向可控硅
刀開關(guān)
等離子顯示屏
低頻電感
低通濾波器
低音炮電路
滌綸電容
點膠設(shè)備
電池
電池管理系統(tǒng)
電磁蜂鳴器
電磁兼容
電磁爐危害
電動車
電動工具
電動汽車
電感
電工電路
電機控制
電解電容
電纜連接器
電力電子
電力繼電器
電力線通信
電流保險絲
電流表
電流傳感器
電流互感器
電路保護
電路圖