Conexión y programación de cintas LED RGB

Los diodos emisores de luz (LED) están reemplazando cada vez más la iluminación estándar en forma de bombillas, lámparas halógenas y lámparas fluorescentes. Son mucho más eficientes energéticamente, pero sus ventajas no terminan ahí.

En este artículo conocerá:

• Qué es un diodo LED,
• Por qué se usan los diodos RGB,
• Como se controla el brillo del diodo,
• Qué son las cintas LED y las cintas RGB,
• Como controlar las cintas,
• Qué cinta y qué controlador escoger,
• Qué tipo de diodos LED seleccionar.

Los LEDs se utilizan a menudo en sistemas de iluminación, donde se utiliza una amplia gama de LEDs blancos. Sin embargo, cada vez más, el uso de diodos de colores, principalmente para iluminación interior, proporciona interesantes efectos estéticos. La solución más avanzada de este tipo son los diodos RGB, cuyo color se puede controlar sin problemas, alcanzando casi todos los colores de luz en el rango visible. ¿Qué más vale la pena saber acerca de estos productos?

¿Qué es un diodo LED?

Un diodo emisor de luz (LED) es una fuente de luz semiconductora que emite luz cuando una corriente eléctrica fluye a través de él. Los electrones en el semiconductor se recombinan con agujeros de electrones, liberando energía en forma de fotones. Este efecto se llama electroluminiscencia.

El color de la luz emitida corresponde a la energía de los fotones emitidos. Esto, a su vez, depende de la energía requerida para pasar los electrones a través del intervalo de banda del semiconductor. Esta banda a veces se denomina un corte de energía y es un parámetro muy importante de todos los semiconductores. Por lo tanto, el color del LED depende del material utilizado para su construcción.

Los LEDs aparecieron en el mercado como componentes electrónicos disponibles comercialmente en 1962. El primero de ellos emitió luz infrarroja de baja intensidad. Los LED infrarrojos se utilizan principalmente en circuitos de control remoto, por ejemplo, en electrónica de consumo. Los primeros productos que trabajaron con luz visible fueron de baja intensidad y se limitaron al rojo. Se produjeron a partir de materiales como el fosfuro de galio (GaP) y el arseniuro de galio y aluminio (AlGaAs).

Los LED modernos están disponibles en las longitudes de onda visibles, ultravioleta e infrarroja. Trabajan con una alta eficiencia de emisión, gracias a la cual producen mucha luz de forma que ahorran energía. Los productos modernos de este tipo están hechos de una variedad de materiales semiconductores, dependiendo del color. Actualmente, los LEDs rojos se fabrican con fosfuro de aluminio y galio de indio (AlInGaP), lo que los hace más eficientes que los elementos con GaP o AlGaAs. Los diodos LED azules y verdes están compuestos principalmente por nitruro de galio y nitruro de galio e indio (GaN e InGaN). La cantidad de indio determina el color: cuanto más indio, mayor es la longitud de onda (p.ej., verde).

¿Por qué se usan los diodos RGB?

RGB es un modelo de color aditivo en el que las luces roja (Red), verde (Green) y azul (Blue) se combinan de diferentes maneras para reproducir una amplia gama de colores. El nombre del modelo proviene directamente de los nombres en inglés de los colores primarios utilizados.La aplicación principal del modelo de espacio de color RGB es la detección, representación y visualización de imágenes en sistemas electrónicos como televisores y computadoras. También se utiliza en fotografía analógica y hoy en día cada vez más en sistemas de iluminación. Antes de la era electrónica, el modelo de color RGB ya contaba con una sólida teoría, basada en la percepción humana del color.

La mezcla de luz roja, verde y azul de las fuentes de LED para crear una luz de color requiere circuitos electrónicos dedicados para controlar el proceso de mezcla. Dado que los diferentes LED tienen patrones de emisión ligeramente diferentes, el balance de color puede cambiar según el ángulo de visión, incluso si las fuentes RGB están en una carcasa. Debido a esto, los diodos RGB rara vez se usan para producir luz blanca, pero a menudo se usan para obtener otros colores. Este método tiene muchas aplicaciones gracias a la flexibilidad de mezclar diferentes colores y una alta eficiencia energética. Los LEDs multicolores ofrecen una nueva forma de crear luz con diferentes colores. La mayoría de los colores visibles se pueden crear mezclando diferentes cantidades de los tres colores primarios: rojo, verde y azul. Esto permite un control preciso y dinámico del color recibido. El problema asociado con el uso de diodos RGB para la reproducción precisa del color en los sistemas de iluminación es que a medida que cambia la temperatura, la brecha de energía del semiconductor que se usa para construir el elemento, cambia. El cambio de la brecha de energía se acompaña de un cambio en el color de iluminación de los LED individuales (rojo, verde y azul) en la estructura RGB. Este problema no ocurre con los LEDs de potencia inferior.

Como se controla el brillo del diodo, es decir, la modulación PWM

El brillo del diodo emisor de luz depende de la corriente que fluye a través de él, que se puede regular de varias maneras. Los dos métodos más simples de este ajuste son el uso de una fuente de corriente controlada o un modulador PWM.

Una fuente de corriente es un circuito electrónico que proporciona o absorbe corriente eléctrica independientemente de su voltaje. Hay dos tipos de fuentes de corriente. Una fuente independiente proporciona corriente continua. La fuente dependiente a su vez proporciona una corriente que es proporcional a algún otro voltaje o corriente en el circuito. Por supuesto, se requiere una fuente dependiente para controlar los LEDs. La mayoría de las fuentes de corriente reales se realizan utilizando un elemento de resistencia controlada (por ejemplo, un transistor MOSFET). Se controla de modo que la caída de voltaje en este elemento obligue a la corriente a fluir a través de la carga.

La desventaja de una solución con un elemento con pérdida que fuerza el flujo es la baja eficiencia energética. La caída de voltaje en el elemento de control puede ser bastante alta, especialmente para el conjunto de corrientes bajas. Además, este control, ya que necesita una entrada analógica, por ejemplo, es difícil de implementar una tensión de control en un sistema digital y requiere la implementación de elementos adicionales, como un convertidor de digital-analógico.

PWM, o modulación de ancho de impulso, es un método para reducir la potencia promedia entregada por una señal eléctrica cortando efectivamente esta señal en partes separadas cuando está encendida y apagada (sin ningún tipo de estados transitorios, como en una forma de onda rectangular). El valor promedio del voltaje (y corriente) alimentando la carga se controla al encender y apagar rápidamente un cierto tipo de llave entre la fuente de alimentación y la carga. Cuanto más tiempo esté encendida esta tecla en comparación con los períodos de apagado, mayor será la potencia total entregada a la carga.

La modulación PWM funciona especialmente cuando se trabaja con cargas relativamente inertes, como los motores que no son fácilmente influenciados por la conmutación discreta. Reaccionan más lentamente debido a la inercia. La frecuencia de conmutación de PWM debe ser lo suficientemente alta para no afectar la carga. En el caso de los LED RGB, no es el receptor en sí, el diodo emisor de luz es inerte y el ojo humano no nota el parpadeo, ya que promedia la intensidad de la luz.

La velocidad (o frecuencia) a la que la tecla debe alternar la carga puede variar mucho según la carga y la aplicación del sistema. En el caso de los LEDs, la frecuencia óptima también depende de la aplicación específica. El límite superior de la frecuencia es la velocidad de conmutación del LED. El tiempo de conmutación de un LED típico es de unos pocos cientos a varios miles de nanosegundos, lo que se traduce en frecuencias de conmutación de varios cientos de kilohercios a varios megahercios. Por otro lado, la frecuencia de conmutación mínima se define por la inercia de la vista humana. Con un objeto en movimiento, se supone que 200 hercios es la frecuencia de conmutación mínima de la tecla de control LED.

La principal ventaja de utilizar la modulación PWM es que las pérdidas de potencia en los dispositivos de conmutación son muy bajas. Cuando se apaga el interruptor, la corriente prácticamente no fluye, y cuando se enciende la llave, la caída de voltaje en ella es insignificante. Las pérdidas de potencia, que son el producto de la caída de voltaje y la corriente de flujo, son pequeñas en ambos casos. Además, PWM funciona muy bien con los controles digitales, ya que, debido a su naturaleza – el control cero-uno – se controla fácilmente con la llave.

Qué son las cintas LED y las cintas RGB con controladores integrados

La cinta de LED es una placa de circuito impreso flexible, en la que se sueldan los diodos emisores de luz para montaje en superficie (diodos SMD), así como otros elementos necesarios para el funcionamiento de los diodos. Por lo general está equipado con una base adhesiva.

Las cintas LED se han utilizado en el pasado solo en iluminación de acento, retroiluminación, iluminación fija de trabajo e iluminación decorativa. El aumento de la eficiencia de los LEDs y la disponibilidad de productos más potentes han permitido el uso de las cintas LED como iluminación de alto brillo, que reemplaza eficazmente las luminarias equipadas con bombillas fluorescentes o halógenas.

A menudo en iluminación se utilizan cintas con LEDs que también están disponibles en la versión con LEDs de varios colores: RGB, RGBW. La segunda de estas cintas cuenta con un diodo blanco adicional (blanco), que proporciona luz blanca de buena calidad, más adelante podrá leer sobre esto. Controlarlos con la ayuda de controladores externos sería complicado debido a la gran cantidad de conductores necesarios para controlar una cinta más larga. Por lo tanto, a menudo se utilizan controladores integrados en este tipo de cintas.

Control de cintas

La mayoría de las cintas LED RGB se construyen utilizando los LED RGB clásicos con cuatro cables: un ánodo o cátodo común y un cable único para cada color. No podemos conectar los cables directamente a la fuente de alimentación, ya que se necesita un controlador, gracias a lo cual podremos cambiar fácilmente el color. Aunque esta solución nos permite controlar el color, debe recordarse que toda la cinta emite el mismo color, puede ser una limitación de la flexibilidad de uso. Recientemente, la solución en la que, además de los diodos RBG LED, también hay controladores integrados para como, p.ej., los sistemas Worldsemi de la familia WS28xx.

También vale la pena señalar que las cintas LED RGB clásicas se controlan de manera diferente a las que tienen controladores. Esto se debe principalmente al hecho de que los controladores integrados cambian el diseño: solo se utiliza una línea (DATA) para el control, no tres separadas para cada color. Por ejemplo, las soluciones basadas en Arduino se pueden usar para el control.

Las cintas con circuitos en este grupo generalmente se llaman programables o inteligentes, y el controlador en sí mismo tiene la forma de un circuito integrado diseñado para controlar diodos LED. Contiene un seguro interno de datos digitales inteligentes desde el puerto de entrada, su propia dirección individual y el circuito del controlador de alimentación. También tiene un preciso oscilador interno y un estabilizador de voltaje de 12V para diodos LED. Para reducir la ondulación en el sistema, los canales PWM individuales se controlan con un cambio de fase. Este sistema utiliza el modo de comunicación NZR.

En el sistema NZR, los sistemas de las series WS28xx están conectadas en serie. El pin DIN es la entrada de datos y el DO es la salida. Los datos se dan en el pin DIN del primer controlador de la cadena. Su DO se adjunta a la siguiente DIN, etc. Después de reiniciar el chip, la línea DIN recibe datos del controlador. El primer chip recopila los primeros 24 bits de datos (tres veces 8 bits para tres colores) y luego los transmite al pestillo de datos interno. Otros datos se envían con la ayuda de la salida DO.

Los datos en la salida de DO se almacenan en búfer mediante circuitos digitales integrados, por lo que llega el siguiente proceso de alta calidad. Esto aumenta el alcance del sistema, ya que las únicas restricciones en la longitud de la cinta son la distancia máxima entre los controladores y el número de direcciones disponibles.

En el momento en el que los datos quedan grabados en el controlador, el sistema genera las señales de control PWM apropiadas en las salidas OUTR, OUTG y OUTB, destinadas a controlar los diodos rojo, verde y azul en la estructura de la cinta. Debido a la posibilidad de dirigirse a la familia WS28xx, es posible configurar individualmente el color y el brillo del diodo RGB, lo que amplía enormemente las posibilidades. Por ejemplo, las cintas que usan este sistema, cada uno de los LEDs puede brillar en un color diferente y con diferente intensidad, independientemente de los otros en la misma cinta.

Vale la pena mencionar que también hay soluciones completas que incluyen tanto las estructuras LED RGB como la estructura del controlador direccionable integrado en una carcasa, lo que simplifica la aplicación y reduce el coste final de la solución. Tales diodos se ofrecen en versión económica por Worldsemi y por Liteon: diodos integrados con alta calidad y repetitividad.

¿Qué cinta y qué controlador escoger?

Hay muchas cintas LED RGB diferentes en el mercado con controladores integrados. Estas cintas cuentan con diferente potencia y cantidad de LEDs, que se traducen en diferentes niveles de brillo. Dichos productos cuentan de 30 a 144 diodos por metro y tienen una potencia máxima de 36W a 86.4W (basado en 1 m de cinta).

Las cintas LED RGB pueden estar suministradas con voltaje de 5V, 12V o 24V DC. La elección de una cinta especifica debe ser dictada por la tensión de alimentación disponible en el sistema en particular. Por ejemplo, para el sistema microcontrolado es genial la cinta alimentada por 5V, y en un sistema industrial la cinta alimentada por 24V. Además, al elegir una cinta LED para aplicaciones industriales, vale la pena prestar atención a la clase de protección del producto. Al elegir el modelo o clase IP65, puede confiar en la fiabilidad del sistema, ya que esta clase garantiza la protección contra el polvo y protección contra la humedad.

¿RGB y RGBW – qué LED escoger?

La cinta LED RGB estándar utiliza un sistema que consta de tres LEDs (rojo, verde y azul). Puede producir una amplia gama de colores, mezclando los tres colores mencionados y dando luz con un color casi blanco, pero incluso cuando los tres LED se iluminan hasta alcanzar el brillo máximo, el color obtenido está lejos de ser el ideal. Por eso se aplican las cintas LED RGB + W, que utilizan cuatro LEDs: LED RGB y un diodo emisor de luz blanca adicional.

Aunque los mismos diodos RGB pueden obtener un color cercano al blanco, el diodo blanco dedicado en estructura proporciona un tono blanco mucho más limpio y permite el uso de un chip blanco cálido o frío adicional. Además, el chip blanco proporciona capacidades adicionales de mezcla de color con sistemas RGB, lo que permite la creación de una amplia gama de tonos únicos.

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