Ansteuerung von mehrfarbigen LEDs

LEDs (Light emitting diodes) stellen eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Anzeige von Statusinformationen dar. Für manche Projekte reicht aber eine einfarbige LED möglicherweise nicht aus, während mehrere LEDs aus Platz- oder Kostengründen oder wegen nicht ausreichender Leistung nicht einsetzbar sind. In diesen Situationen stellen mehrfarbige LEDs eine effektive Lösung dar, sofern sie ordnungsgemäß von einem Mikrocontroller angesteuert werden.

In diesem Artikel werden die Grundlagen von LEDs erläutert und die Vorteile von mehrfarbigen LEDs besprochen. Anschließend werden geeignete Lösungen für mehrfarbige LEDs vorgestellt. Zum Schluss wird gezeigt, wie LEDs bei Ansteuerung von einem Mikrocontroller bis zu 16 Millionen verschiedene Farben produzieren können.

Behandeln Sie LEDs wie Dioden

Bei der Entwicklung einer Schaltung für LEDs ist es wichtig, daran zu denken, dass die Bauelemente keine Glühlampen, sondern Halbleiterelemente sind – und zwar Dioden –, die als Nebeneffekt Licht aussenden. Als Dioden lassen sie typischerweise nur Stromdurchfluss in eine Richtung zu, (Dioden sind nicht ideal. Sie lassen bei einem Betrieb in Sperrrichtung einen geringen Stromfluss zu.)

Der Licht aussendende Teil einer handelsüblichen LED besteht aus einer Halbleiterdiode im Zentrum der Baugruppe, die selbst aus einem einzigen p-n-Übergang besteht (Abbildung 1). Der Strom fließt von der Anode der LED, die an das p-Typ-Element angeschlossen ist, zur Kathode der LED, die an das n-Typ-Element angeschlossen ist. Bei normalen Dioden besteht der p-n-Übergang normalerweise aus Germanium (Ge) oder Silizium (Si). Bei LEDs besteht der Übergang aus transparentem Galliumarsenidphosphid (GaAsP) oder Galliumphosphid (GaP).

Abbildung 1: Eine LED-Baugruppe besteht aus dem p-n-Übergang aus Halbleitermaterial, der einen Stromfluss von der Anode zur Kathode zulässt. Durch ein durchsichtiges Gehäuse kann das emittierte Licht austreten. (Bildquelle: Wikipedia)

Durch das transparente GaAsP oder GaP löst die am p-n-Übergang angelegte Durchlassspannung Photonen vom Halbleitermaterial. Der p-n-Übergang ist auf einer reflektierenden Vertiefung angebracht, die die Photonen in Richtung der Linse der LED bündelt. Die Linse und der Körper der LED bestehen aus durchsichtigem Epoxid, das entsprechend dem emittierten Licht eingefärbt werden kann.

Die reflektierende Vertiefung ruht auf einem als „Anvil“ (Amboss) bezeichneten Leadframe, und die Kathode ist mit einem Bonddraht an einen als „Post“ (Pfahl) bezeichneten Leadframe angeschlossen. Anvil und Post sind so geformt, dass sie eine solide Verbindung mit dem Epoxid-Körper der LED bilden, sodass die LED nicht durch Herausziehen des Anoden- oder Kathoden-Pins aus dem Epoxid-Körper zerstört werden kann.

Einfarbige LEDs

LEDs sind in vielen Farben erhältlich, z. B. in Rot, Grün, Gelb, Bernstein, Cyan, Orange, Pink und Purpur und neuerdings auch in Weiß und Blau. Einfarbige LEDs bestehen aus einem Halbleiter-Rohmaterial, das die gewünschten Lichtwellenlängen generiert. Dabei hat das Epoxid-Gehäuse der LED oft dieselbe Farbe. Es ist zwar nicht erforderlich, dass die Linse dieselbe Farbe wie das emittierte Licht hat, aber es ist zur leichten Identifizierbarkeit der Farbe der LED-Komponenten wichtig, um sie nicht mit anderen LEDs zu verwechseln.

Mehrfarbige LEDs

In manchen Systemen, in denen Platz, Kosten und Energie knapp sind, ist es von Vorteil, wenn eine LED mehrere Farben aussenden kann. Normalerweise besteht eine derartige mehrfarbige LED aus drei LEDs, einer roten, einer grünen und einer blauen (RGB), in einem einzigen durchsichtigen Epoxid-Gehäuse. Ein gutes Beispiel ist die RGB-LED 2739 von Adafruit Industries (Abbildung 2). Die für die Verwendung als mehrfarbige Anzeigeleuchte bestimmte LED hat eine 2,5 mm breite und 5 mm dicke rechteckige emittierende Fläche mit Linse und besitzt vier radiale Anschlussdrähte für die Durchsteckmontage auf einer Leiterplatte.

Abbildung 2: Die RGB-LED 2739 von Adafruit hat eine 2,5 mm breite und 5 mm dicke durchsichtige rechteckige Linse aus Epoxid. Sie wird mit vier radialen Anschlussdrähten zur Durchsteckmontage auf einer Leiterplatte geliefert. (Bildquelle: Adafruit Industries)

Jede der internen LEDs kann typischerweise einzeln oder zusammen mit den anderen verwendet werden, um verschiedene Farben zu erzeugen.

Mehrfarbige RGB-LEDs sind normalerweise mit drei verschiedenen Pin-Auslegungen erhältlich:

1. Eine gemeinsame Anode für alle LEDs und je eine Kathode pro LED, also insgesamt vier Pins
2. Eine gemeinsame Kathode für alle LEDs und je eine Anode pro LED, also insgesamt vier Pins
3. Je ein Pin für jede Anode und Kathode, also insgesamt sechs Pins

Schaltungen mit mehrfarbigen LEDs

Die RGB-LED 2739 von Adafruit hat eine gemeinsame Anode und je eine Kathode für die rote, grüne und blaue LED, sodass insgesamt vier Pins herausgeführt werden (Abbildung 3). Die gemeinsame Anode ist an den positiven Pol der Stromversorgung angeschlossen, sodass die rote, grüne und blaue LED jeweils durch eine Verbindung mit Masse eingeschaltet werden.

Abbildung 3: Die RBG-LED 2739 von Adafruit hat eine gemeinsame Anode und getrennte Kathoden für die rote, grüne und blaue LED. (Bildquelle: Adafruit Industries)

Generieren von vielen Farben

Wenn in einer Anwendung nur einer der drei Zustände angezeigt werden soll, besteht die einfachste Anwendungsmöglichkeit der RGB-LED 2739 darin, nur jeweils eine LED zu einem Zeitpunkt einzuschalten und dem Benutzer die Auswahl aus Rot, Grün und Blau anzubieten.

Es kann eine größere Vielfalt von Farben erzielt werden, indem einfach zwei Farben kombiniert werden. Dies ergibt sechs mögliche Farben:

• Rot
• Grün
• Blau
• Gelb (Rot + Grün)
• Cyan (Grün + Blau)
• Magenta (Rot + Blau)

Für eine saubere Dokumentation eines Projekts sollten die angezeigten Farben verschieden, leicht zu erkennen und leicht mit Worten beschreibbar sein. Eine grüne LED mit voller Stromstärke könnte z. B. im Datenblatt der LED als „hellgrün“ dokumentiert werden. Die meisten Verbraucher und Entwickler würden die eingeschaltete LED auf Befragen allerdings als „grün“ bezeichnen. Trotz des jeweiligen Namens der Farbe sollten die Benutzer in der Lage sein, die Farben sowohl optisch als auch nach ihrer Bezeichnung leicht auseinanderzuhalten. Wenige Menschen sind wirklich in der Lage, den Unterschied zwischen „grün“ und „hellgrün“ zu erkennen, und viele würden, wenn beide Farben nebeneinander angezeigt werden, hellgrün als „grün“ und grün als „dunkelgrün“ erkennen.

In komplexeren Anwendungen können die RGB-Kombinationen in ihrer Intensität variiert werden, sodass bis zu 16 Millionen Farben entstehen. Eine zuverlässige Methode, dies zu erreichen, besteht darin, an jede der LEDs ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) zu senden, wobei das Tastverhältnis der Helligkeit entspricht. Das menschliche Auge kann Flackern bis zu 200 Hz erkennen. Zur Vermeidung von Flackern sollte also eine PWM-Frequenz von mindestens 1000 Hz verwendet werden.

Die Farben können einfach nach ihrem RGB-Farbcode gewählt werden. Dies beruht auf dem additiven Farbmodell, in dem die Helligkeit des roten, grünen und blauen Lichts einzeln variiert wird, sodass fast jede beliebige Farbe generiert werden kann. Dieses Modell bezieht sich auf Licht und ist Grundlage für die Farbwiedergabe von Fernsehern und Displays. Sie wird auch zur Darstellung der Farben von Webseiten verwendet.

Die Kurzform für einen RGB-Farbcode ist (R,G,B), wobei R, G und B die Dezimalwerte für die Helligkeit der Farben zwischen 0 und 255 sind. Der dezimale RGB-Farbcode für Blau ist z. B. (0,0,255), Purpur ist (128,0,128) und Silber ist (192,192,192). Zur Bestimmung des PWM-Tastverhältnisses werden diese Werte durch 255 dividiert, sodass die Werte wie folgt lauten würden: Blau (0,0,100 %), Purpur (50 %,0,50 %), Silber (75 %,75 %,75 %).

Weißes Licht wird theoretisch durch (255,255,255) dargestellt und kann durch gleichzeitiges Einschalten der roten, grünen und blauen LED mit voller Helligkeit generiert werden. In der Praxis ergibt die mittels dieser Methode hergestellte Farbe ein Weiß mit Blaustich. Dieser Farbstich entsteht, da die von den LEDs generierten Farben nicht den exakten Wellenlängen für ein perfektes Rot, Grün und Blau entsprechen.

Die benötigten PWM-Signale können ganz einfach von einem Mikrocontroller generiert werden. Ein geeignetes Beispiel ist der ATSAMC21J18A von Microchip Technology (Abbildung 4). Es handelt sich um ein Bauelement mit geringer Leistungsaufnahme für IoT-Endpunkte. Er gehört zur Mikrocontroller-Familie SAM C21 des Herstellers. Er verfügt über einen 48 MHz-Arm® Cortex®-M0+-Core und unterstützt eine I/O-Spannung von 5 V.

Abbildung 4: Der Mikrocontroller ATSAMC21J18A verfügt über Timer- und Zählereinheiten, die automatisch drei synchrone PWM-Signale generieren können. (Bildquelle: Microchip Technology)

Zur Ansteuerung der LEDs verfügt der Mikrocontroller ATSAMC21J18A über Timer- und Zählereinheiten, die automatisch drei synchrone PWM-Signale generieren können. Die Produktfamilie SAM C21 hat Optionen für hohen Senkenstrom, was für jede Senke an einer der vier I/O-Pins maximal 20 mA erlaubt.

Beim Einsatz einer LED ist die Wahl des richtigen Serienwiderstands zur Begrenzung der Stromstärke wichtig. Wenn ein zu geringer Widerstand gewählt wird, kann die LED zerstört wenden und bei einem zu hohen Widerstand wird das Licht gedämpft oder ganz abgeschaltet. Der Widerstandswert bestimmt sich aus der Durchlassspannung der jeweiligen LED und der gewünschten Stromstärke.

LEDs sind stromgesteuerte Halbleiter. Es ist auch wichtig zu wissen, dass die Betriebsspannung der LED aufgrund der physikalischen Eigenschaften der Materialien umso höher ist, je niedriger die Wellenlänge des emittierten Lichts ist. Dies ist ein wichtiger Faktor, der beim Einsatz von mehreren LEDs berücksichtigt werden muss.

Mit einem Durchlassstrom von 20 mA für die RGB-LED 2739 Adafruit sind laut Angaben von Adafruit als typische Durchlassspannungen 2 V für Rot und 3,2 V für Grün und Blau spezifiziert.

Wenn die gemeinsame Anode an 5 V angeschlossen ist, werden die Widerstandswerte zwischen den LEDs und den I/O-Pins durch folgende Gleichung bestimmt:

Gleichung 1

Dabei gilt:

V_DD = 5 V

V_OL = Spannung für „Low“ am Ausgang für den ATSAMC21J18A = 0,1 x V_DD = 0,5 V

V_F = Durchlassspannung (typisch)

I = Durchlassstrom in Ampere

R = Widerstand in Ohm (Ω)

Die Anwendung dieser Formel für I = 20 mA ergibt R_RED (V_F = 2 V) = 125 Ω, und R_GREEN = R_BLUE (V_F = 3,2 V) = 65 Ω.

Wenn ein berechneter Widerstand nicht als Standardprodukt zur Verfügung steht, kann der nächstniedrige oder der nächsthöhere Wert (empfohlen) gewählt werden. Bei der Wahl eines niedrigeren Werts muss darauf geachtet werden, dass die maximale Durchlassspannung der betreffenden LED bzw. die maximale Kapazität der Stromsenke des I/O-Anschlusses des ATSAMC21J18A nicht überschritten wird. Die LED könnte zwar noch funktionieren, wenn diese Maximalwerte überschritten werden, aber es besteht die Gefahr, dass ihre Lebensdauer sinkt und dass der I/O-Anschluss mit der Zeit beschädigt oder zerstört wird. Es besteht auch die Möglichkeit, den Durchlassstrom zu senken, vorausgesetzt, das gedämpftere Licht ist für die Anwendung akzeptabel. Bei einem Durchlassstrom von 15 mA sinken die angegebenen Durchlassspannungen für die RGB-LED 2739 von Adafruit beispielsweise auf 1,9 V für Rot und auf 3,1 V für Grün und Blau. Dies führt zu den Widerstandswerten von R_RED = 173,3 Ω und R_GREEN = R_BLUE = 93,3 Ω.

Da der ATSAMC21J18A die LEDs über den Masseanschluss steuert, ist eine bestimmte LED eingeschaltet, wenn der I/O-Anschluss logisch „Low“, und ausgeschaltet, wenn er logisch „High“ ist. Daher müssen die berechneten Tastverhältnisse für die RGB-Farbwerte invertiert werden. Wenn beispielsweise für eine Farbe ein Tastverhältnis von 25 % erforderlich ist, muss der PWM ein Tastverhältnis von 75 % genieren, damit die LED 25 % der Zeit eingeschaltet ist. Darüber hinaus müssen im Startcode des Mikrocontrollers die drei Pins auf logisch „High“ aktiviert werden, wenn die LED beim Hochfahren ausgeschaltet sein soll.

Der ATSAMC21J18A ist mit 256 kB Flash-Speicher, 32 kB RAM und einer Vielzahl von analogen Peripheriekomponenten ausgestattet. Der Mikrocontroller verfügt außerdem über sechs serielle Kommunikationsmodule (SERCOMs), von denen jeder in der Lage ist, als USART, SPI, LIN-Slave oder als I²C-Schnittstelle zu fungieren.

Intelligente RGB-LEDs

Eine andere Möglichkeit, mehrere Farben zu erzeugen, besteht darin, die RGB-LED zu programmieren. „Intelligente LED“ ist ein Begriff, mit dem ein Typ von mehrfarbigen LEDs bezeichnet wird, die über eine programmierbare serielle Schnittstelle verfügen. Ein gutes Beispiel ist die BL-HBGR32L-3-TRB-8 von American Bright Optoelectronics, eine 5 mm große quadratische RGB-LED, mit der über eine 800 kHz-I²C-Schnittstelle eine beliebige Farbe programmiert werden kann (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die BL-HBGR32L-3-TRB-8 von American Bright ist eine 5 mm große quadratische digitale RGB-LED mit sechs Pins mit einer I²C-Pass-through-Pinauslegung, die die Reihenschaltung von mehreren Bauelementen an derselben I²C-Schnittstelle ermöglicht. (Bildquelle: American Bright Optoelectronics Corp.)

Aufgrund der bequemen I²C-Schnittstelle wird die Entwicklung durch Einsparung von Platz auf der Platine und Vereinfachung des Mikrocontroller-Codes stark vereinfacht. Einer der SERCOM-Anschlüsse auf dem ATSAMC21J18A kann als serielle I²C-Schnittstelle für eine einfache Kommunikation mit der BL-HBGR32L-3-TRB-8 konfiguriert werden. Wie aufgrund der Pinauslegung in Abbildung 5 ersichtlich ist, wird das I²C-Datensignal vom Mikrocontroller ATSAMC21J18A an das Data In-Signal an Pin 1 und das I²C-Taktsignal an Pin 2 (Clock In) angeschlossen.

Die Farbe der LED BL-HBGR32L-3-TRB-8 wird programmiert, indem vier Bytes, die die globale Helligkeitseinstellung und die RGB-Farbcodes darstellen, als 32-Bit-Wort gesendet werden. Auf der intelligenten LED wird der Datenausgang auf Pin 6 und das I²C-Taktsignal auf Pin 5 durchgeleitet. So können mehrere LEDs hintereinandergeschaltet werden und verschiedene Farben darstellen.

Fazit

Mit Kenntnissen über ihre Ansteuerung können mehrfarbige RGB-LEDs Platz, Kosten und Energie sparen und dabei die Ästhetik und die Bedienbarkeit eines Endsystems, eines Bauteils, einer Statusanzeige oder eines Beleuchtungssystems verbessern. Die Entwickler haben die Wahl zwischen RGB-LEDs, die eine vollständige Kontrolle über jede einzelne LED ermöglichen, und intelligenten LEDs, die eine programmierbare Steuerung der Farben erlauben. Es gibt noch viele weitere kostengünstige Lösungen mit geringem Energiebedarf auf dem Gebiet der typischerweise zur Generierung von PWM-Steuersignalen verwendeten Mikrocontroller.