23 апреля 2020
Как работают RGB-светодиоды: внутреннее устройство, способы подключения

Многоцветные RGB-светодиоды получают все большее распространение, поскольку с ними можно создавать различные виды управляемой подсветки вплоть до движущихся изображений. Светодиодные RGB-ленты и прожекторы с такими диодами применяются как в интерьере, так и в украшении зданий и сооружений, а также создании рекламных конструкций, оформлении мероприятий и представлений.

Устройство RGB-светодиодов

В обычном одноцветном светодиоде в одном корпусе находятся 3 кристалла (чипа) одинакового цвета. У RGB-диодов похожее устройство, только в них устанавливаются красный, зеленый и синий чипы. На английском это Red, Green и Blue, откуда и происходит название диодов – RGB.

В отличие от одноцветных, RGB-светодиоды имеют минимум 4 контакта: 1 общий и 3 для кристаллов. Это отражается также в коннекторах для соединения отрезков RGB-лент – у них тоже 4 контакта для подключения каждого вывода отдельно. Именно отдельное подключение каждого кристалла позволяет менять цветность свечения. С помощью микроконтроллеров можно управлять кристаллами и создавать различные световые эффекты.

Наиболее распространенным размером RGB-светодиодов считается SMD 5050, который может включать 3 или 4 кристалла, что позволяет создавать миллионы цветовых вариаций. Этот формат лучше всего подходит для RGB и RGBW. У него в 3 раза больше яркость, чем у SMD 3528.

Виды RGB-светодиодов

Существующие разновидности RGB-светодиодов на SMD:

  • СА – с общим катодом. Управление осуществляется положительными сигналами, которые подаются на аноды кристаллов.
  • СС – с общим анодом. Управление происходит путем подачи сигналов на катоды чипов.
  • С 6 выводами – с отдельной парой контактов для каждого кристалла. Обладает наибольшей самостоятельностью.

В зависимости от этого подбирается распиновка RGB-светодиодов, т. е. схема расположения выводов:

  • Схема с общим катодом. Катодные выводы кристаллов соединены между собой. Ими управляют посредством 3 отдельных выводов анода.
  • Схема с общим анодом. Анодные выводы кристаллов соединены в один, а управление происходит через отрицательные импульсы на 3 независимых вывода катода.
  • Независимая схема. Внутри корпуса светодиода нет соединений, а присутствует 6 выводов, т. е. на каждый кристалл по 2.

Ввиду отсутствия единого стандарта на распиновку полярность светодиодов приходится определять индивидуально для каждого случая.

RGB-светодиоды выпускаются не только в формате элементов SMD. Существуют другие виды корпусов:

  • Стандартный круглый. Оснащен линзой, применим при малой мощности диодов.
  • Emitter. Используется при большой мощности диодов, в которых каждый чип требует отдельного режима работы.
  • «Пиранья». Главное преимущество – не требуется установка теплоотводов.

Как управляют RGB-светодиодами

Существует несколько способов управления и подключения RGB-светодиодов к источнику питания:

  • Аналоговые методы. В основе – схемы из транзисторов, применяемых для регулировки яркости кристаллов.
  • Без микроконтроллеров. Для подключения используют систему драйверов.
  • Микроконтроллер Arduino с ШИМ-выходами. Наиболее распространенный метод управления. Схема подключения RGB-светодиода к Ардуино гораздо проще, чем при использовании других устройств. Еще здесь можно написать скетч, чтобы перебор цветов осуществлялся автоматически или можно было задавать цвет вручную.

В самом простом случае RGB-светодиоды подключают к Arduino – стандартному микроконтроллеру, с помощью которого и осуществляют управление. Прямая пайка контактов не допускается, поскольку у каждого из них должен быть резистор, ограничивающий ток. Подключение осуществляют следующим способом:

  • Общий вывод припаивают к единой шине Gnd. Для светодиода с общим анодом подключение осуществляют к отрицательному контакту, а с общим катодом – к положительному из противоположного ряда (на рисунке SV).
  • Остальные выводы для подачи управляющих сигналов присоединяют к соответствующим точкам (ШИМ-пинам Ардуино): D12, D10 и D9.

С помощью микроконтроллера осуществляют управление работой RGB-светодиода. Разные оттенки формируются путем смешивания 2-3 цветов в разном соотношении. Оттенки получают посредством управления яркостью разных кристаллов. Если все 3 цветных кристалла горят на полную мощность, получается белый свет. При изменении яркости кристаллов по отдельности получают другие цвета.

Для управления режимом работы светодиодной RGB-ленты применяют контроллеры. Для изменения цветов и переключения сценариев освещения применяется пульт дистанционного управления. Микропроцессор в контроллере подключает и отключает минусовой вывод от соответствующего цвета, что позволяет менять цветность свечения.

Подключение без микроконтроллеров

Существует вариант подключения RGB-светодиодов без Ардуино. Здесь используют специализированные драйверы, такие как CAT4101, способные выдавать ток до 1 А. На рисунке приведена схема подключения подобным способом. Главное здесь – правильно подобрать драйвер для светодиодов.

Принцип изменения цветности RGB-светодиодов с помощью ШИМ

В основе механизма управления яркостью каждого кристалла лежит метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Так называют процесс изменения мощности за счет пульсирующего включения-выключения прибора.

В ШИМ частота импульса остается постоянной, а меняется его скважность – отношение периода следования (повторения) к длительности импульса. На управляющие контакты диодов подаются прямоугольные сигналы с разной скважностью. Чем она ниже, тем более широким будет пик прямоугольного сигнала, а значит, тем более ярким будет свечение кристалла.