Ligação e programação de fitas LED RGB

Os díodos emissores de luz (LED) estão a substituir cada vez mais a iluminação normal na forma de lâmpadas de incandescência, de halogéneo e fluorescentes. Os LED são muito mais eficientes em termos energéticos, mas as suas vantagens não terminam aí.

Neste artigo vamos responder ao seguinte:

• O que é um díodo LED,
• Por que se utilizam os díodos RGB,
• Como se controla o brilho do díodo,
• O que são as fitas LED e as fitas RGB,
• Como controlar as fitas,
• Como escolher a fita e o controlador,
• Que tipo de díodos LED selecionar.

Os LEDs são frequentemente usados em sistemas de iluminação nos quais se utiliza uma ampla gama de LEDs brancos. Entretanto, aumenta a utilização de díodos coloridos, principalmente para a iluminação interior, fornecendo efeitos estéticos interessantes. A solução mais avançada deste tipo são os díodos RGB, cuja cor pode ser controlada sem problemas, podendo obter-se quase todas as cores da faixa visível. O que vale a pena saber mais sobre estes produtos?

O que é um díodo LED?

Um díodo emissor de luz (LED) é uma fonte luminosa a partir de um material semicondutor que emite luz quando uma corrente elétrica flui através dele. Os eletrões no semicondutor são recombinados com lacunas de eletrões libertando energia na forma de fotões. A este efeito chama-se eletroluminescência.

A cor da luz emitida corresponde à energia dos fotões emitidos. Esta, por sua vez, depende da energia necessária para passar os eletrões através do intervalo de banda do semicondutor. Esta banda é por vezes chamada de energia de corte e é um parâmetro muito importante em todos os semicondutores. A cor do LED depende assim do material utilizado na sua construção.

Os LED foram disponibilizados comercialmente como componentes eletrónicos em 1962. Os primeiros LED emitiam luz infravermelha de baixa intensidade. Os LED infravermelhos são usados principalmente em circuitos de controlo remoto, por exemplo, na eletrónica de consumo. Os primeiros produtos que trabalhavam com luz visível eram de baixa intensidade e eram limitados ao vermelho. Foram produzidos a partir de materiais como o fosfeto de gálio (GaP) e o arsenieto de gálio e alumínio (AlGaAs).

Os LED modernos estão disponíveis nos comprimentos de onda visíveis, ultravioletas e infravermelhos. Eles trabalham com uma alta eficiência de emissão, graças ao que produzem muita luz de uma forma que economiza energia. Os produtos modernos são feitos de uma variedade de materiais semicondutores dependendo da cor. Atualmente, os LED vermelhos são feitos de fosfeto de alumínio, gálio e índio (AlInGaP), o que os torna mais eficientes do que os elementos com GaP ou AlGaAs. Os díodos LED azuis e verdes são compostos principalmente de nitreto de gálio e nitreto de gálio e índio (GaN e InGaN). A quantidade de índio determina a cor: quanto maior a quantidade de índio, maior o comprimento de onda (por exemplo, verde).

Por que se utilizam os díodos RGB?

O RGB é um modelo de cor aditivo em que a luz vermelha (Red), verde (Green) e azul (Blue) se combinam em proporções diferentes para reproduzir uma vasta gama de cores. O nome do modelo vem diretamente dos nomes em inglês das cores primárias usadas. A principal aplicação do modelo de cores RGB é a deteção, representação e apresentação de imagens em sistemas eletrónicos como televisões e computadores. Este modelo também é usado na fotografia analógica e hoje, cada vez mais, em sistemas de iluminação. Antes da época da eletrónica, o modelo de cor RGB já possuía uma sólida teoria, baseada na perceção humana da cor.

Misturar a luz vermelha, verde e azul das fontes de LED para criar uma luz de cor requer circuitos eletrónicos dedicados ao controlo do processo de mistura. Uma vez que os LED têm padrões de emissão ligeiramente diferentes, o equilíbrio de cor pode mudar dependendo do ângulo de visão, mesmo que as fontes RGB estejam encapsuladas. Devido a isto, os díodos RGB são raramente usados para produzir luz branca, mas são frequentemente usados para obter outras cores. Este método tem muitas aplicações graças à flexibilidade de misturar cores diferentes e à sua alta eficiência energética.

Os LED multicor oferecem uma nova maneira de criar luz com cores diferentes. A maioria das cores visíveis pode ser criada misturando diferentes quantidades das três cores primárias: vermelho, verde e azul. Isso permite o controlo rigoroso e dinâmico da cor recebida. O problema associado com o uso de díodos RGB para a reprodução rigorosa da cor em sistemas de iluminação é que, há medida que a temperatura muda, a lacuna de energia do semicondutor usado para construir este elemento, muda. A mudança da lacuna de energia é acompanhada por uma mudança na cor de iluminação dos LEDs individuais (vermelho, verde e azul) na estrutura RGB. Este problema não ocorre com LEDs de menor potência.

Como se controla o brilho do díodo, ou seja, como é feita a modulação PWM

O brilho do díodo emissor de luz depende da corrente que flui através dele, que pode ser regulada de várias maneiras. Os dois métodos mais simples para este ajuste são o uso de uma fonte de energia controlada ou de um modulador PWM.

Uma fonte de corrente é um circuito eletrónico que fornece ou absorve corrente elétrica independentemente da sua tensão. Existem dois tipos de fontes de corrente. Uma fonte independente fornece uma corrente constante. A fonte dependente fornece uma corrente proporcional a uma outra tensão ou corrente no circuito. Naturalmente, é necessária uma fonte dependente para controlar os LED. A maioria das fontes de corrente reais são feitas usando um elemento de resistência controlada (por exemplo, um transístor MOSFET) que é controlado de modo a que a queda de tensão neste elemento force a corrente a fluir através da carga.

A desvantagem de uma solução com um elemento com perdas que força o fluxo é a baixa eficiência energética. A queda de tensão no elemento de controlo pode ser bastante alta, especialmente para valores baixos de corrente. Além disso, este controlo precisa de uma entrada analógica e é difícil de implementar uma tensão de controlo analógica num sistema digital, requer a implementação de elementos adicionais, como um conversor digital-analógico.

A PWM ou modulação da largura de pulso é um método para reduzir a potência média entregue por um sinal elétrico cortando efetivamente este sinal em partes separadas, ligando ou desligando o sinal (sem nenhum tipo de estado transitório, como numa forma de onda retangular). O valor médio da tensão (e corrente) que alimenta a carga é controlado ligando e desligando rapidamente com um determinado tipo de interruptor entre a fonte de alimentação e a carga. Quanto mais tempo estiver ligado em comparação com os períodos de desligamento, maior será a potência total entregue à carga.

A modulação PWM funciona especialmente quando se trabalha com cargas relativamente inertes, tais como motores que não são facilmente influenciados por comutação discreta. Eles reagem mais lentamente devido à inércia. A frequência de comutação PWM deve ser suficientemente alta para não afetar a carga. No caso dos LED RGB, não é o recetor em si, o díodo emissor de luz é inerte e o olho humano não percebe a cintilação, pois ele vê a média da intensidade da luz.

A velocidade (ou frequência) com que o interruptor deve alternar a carga pode variar muito, dependendo da carga e aplicação do sistema. Para o caso dos LED, a frequência ideal também depende da aplicação específica. O limite de frequência superior é a velocidade de comutação do LED. O tempo de comutação de um LED típico é de algumas centenas a vários milhares de nanossegundos, o que resulta em frequências de comutação entre várias centenas de kilohertz a vários megahertz. Por outro lado, a frequência mínima de comutação é definida pela inércia da visão humana. Com um objeto em movimento, 200 Hertz é assumido como sendo a frequência mínima de comutação do interruptor de controlo do LED.

A principal vantagem de usar a modulação PWM é que as perdas de potência em dispositivos de comutação são muito baixas. Quando o interruptor é desligado, a corrente praticamente não flui, e quando o interruptor é ligado, a queda de tensão nele é insignificante. As perdas de potência que são o produto da queda de tensão e da corrente de fluxo, são pequenas em ambos os casos. Além disso, a PWM funciona muito bem com controlos digitais, porque, devido à sua natureza - controlo zero-um - é facilmente controlada com o interruptor.

O que são as fitas LED e as fitas RGB com controladores integrados

A fita de LED é uma placa de circuito impresso flexível na qual estão soldados os díodos emissores de luz para montagem em superfície (díodos SMD) assim como outros elementos necessários para o funcionamento dos díodos. Em geral, a fita está equipada com uma base adesiva.

As fitas de LED foram usadas no passado somente na iluminação de cadeiras, retroiluminação, iluminação de trabalho fixa e iluminação decorativa. O aumento da eficiência dos LED e a disponibilidade de produtos mais potentes permitiram o uso de fitas LED como iluminação de alto brilho que substitui eficazmente as luminárias equipadas com lâmpadas fluorescentes ou de halogéneo.

Muitas vezes, na iluminação, são usadas fitas com LEDs que também estão disponíveis numa versão com LEDs de várias cores: RGB, RGBW. O segundo tipo destas fitas tem um díodo branco adicional (White), que fornece luz branca de boa qualidade, a seguir falaremos sobre isto. Controlá-las com a ajuda de controladores externos seria complicado devido ao grande número de condutores necessários para controlar uma fita mais longa. Por isso, neste tipo de fitas, utilizam-se mais frequentemente controladores integrados.

Como controlar as fitas?

A maioria das fitas LED RGB são construídas usando LED RGB clássicos com quatro cabos: um ânodo ou cátodo comum e um cabo exclusivo para cada cor. Não podemos ligar os cabos diretamente à fonte de alimentação porque é necessário um controlador graças ao qual podemos facilmente mudar a cor. Embora esta solução nos permita controlar a cor, deve recordar-se que toda a fita emite a mesma cor, podendo ser uma limitação da flexibilidade de utilização. Recentemente, apareceu uma solução em que, além dos díodos LED RBG, há igualmente controladores integrados como, por exemplo, nos sistemas da série WS28xx da Worldsemi.

Também vale a pena referir que as fitas LED RGB clássicas são controladas de forma diferente daquelas que têm controladores. Isto deve-se principalmente ao facto de que os controladores integrados terem o respetivo desenho alterado: apenas é utilizada uma linha (DATA) para o controlo e não três linhas separadas, uma para cada cor. Por exemplo, as soluções baseadas em Arduino podem ser utilizadas para controlo.

As fitas com circuitos deste grupo são geralmente chamadas de programáveis ou inteligentes e o próprio controlador tem a forma de um circuito integrado desenhado para controlar díodos LED. Contem um circuito interno de dados digitais inteligentes incluindo uma porta de entrada, com o seu próprio endereço individual e o circuito de controlo de potência. Tem ainda um oscilador interno de precisão e um estabilizador da tensão de 12V para díodos LED. Para reduzir a ondulação no sistema, os canais PWM individuais são controlados com mudança de fase. Este sistema utiliza o modo de comunicação NZR.

Na comunicação NZR, os sistemas da série WS28xx estão ligados em série. O pino DIN é a entrada de dados e o DO é a saída. Os dados são fornecidos no pino DIN do primeiro controlador da cadeia. O seu DO está ligado ao DIN seguinte, etc. Após a reinicialização do chip, a linha DIN recebe dados do controlador. O primeiro chip recolhe os primeiros 24 bits de dados (três vezes 8 bits para três cores) e, em seguida, transmite-os para a interligação de dados internos. Outros dados podem ser enviados com a ajuda da saída DO.

Os dados na saída DO são armazenados em buffer usando circuitos digitais integrados, para garantir o processo de alta qualidade. Isto aumenta o âmbito do sistema, pois as únicas restrições no comprimento da fita são a distância máxima entre os controladores e o número de endereços disponíveis.

No momento em que os dados são gravados no controlador, o sistema gera os sinais de controlo PWM apropriados nas saídas OUTR, OUTG e OUTB, destinadas a controlar os díodos vermelho, verde e azul na estrutura da fita. Devido à possibilidade de endereçamento, na série WS28xx é possível configurar individualmente a cor e o brilho do díodo do RGB o que expande muito as possibilidades. Por exemplo, nas fitas que usam este sistema, cada um dos LEDs pode brilhar numa cor diferente e com intensidade diferente, independentemente dos outros na mesma fita.

Vale a pena mencionar que existem também soluções completas que incluem tanto as estruturas LED RGB como a estrutura do controlador endereçável integrado numa caixa, o que simplifica a aplicação e reduz o custo final da solução. Tais díodos são oferecidos na versão económica pela Worldsemi e pela Liteon: díodos integrados com alta qualidade e repetitividade.

Como escolher a fita e o controlador?

Há muitas fitas diferentes de LED RGB no mercado com controladores integrados. Estas fitas contam com potências e quantidades de LED diferentes que se traduzem em níveis diferentes de brilho. Estes produtos variam entre 30 e 144 díodos por metro e têm uma potência máxima de 36W a 86,4 W (com base em 1m de fita).

As fitas de LED RGB podem ser alimentadas com 5V, 12V, ou 24V CC. A escolha de uma fita específica deve ser ditada pela tensão de alimentação disponível no sistema específico. Por exemplo, para um sistema de microcontrolador em geral a fita é alimentada a 5V, enquanto num sistema industrial a fita é alimentada a 24V. Além disso, na escolha de uma fita LED para aplicações industriais vale a pena prestar atenção à classe de proteção do produto. Escolhendo um modelo de classe IP65, pode confiar na fiabilidade do sistema, porque esta classe assegura a proteção contra poeira e humidade.

Que tipo de díodos LED escolher? RGB ou RGBW?

A fita LED RGB normal usa um sistema composto por três LEDs (vermelho, verde e azul). Pode produzir uma escala muito ampla de cores, misturando essas três cores e consegue produzir uma luz com uma cor quase branca, mas mesmo quando os três díodos emissores de luz iluminam no seu brilho máximo, a cor obtida está longe de ser o branco ideal. É por isso que se utilizam as fitas LED RGB+W, que utilizam quatro LED: LED RGB e um díodo emissor de luz branca adicional.

Embora os díodos RGB possam proporcionar uma cor perto do branco, o díodo dedicado ao branco na estrutura fornece um tom muito mais limpo de branco e permite o uso de um chip adicional de branco quente ou branco frio. Além disso, o chip branco permite possibilidades de misturas adicionais de cores com o sistema RGB, permitindo a criação de uma escala mais ampla de tons originais.

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