Programmierbare RGB-LEDs mit IC
Einfaches Lichtdesign mit ICLED Color Calculator
Die Steuerung analoger LEDs ist komplex. ICLEDs hingegen ermöglichen eine präzise digitale Steuerung von drei LEDs in den RGB-Grundfarben per IC. Der REDEXPERT Color Calculator sorgt für eine exakte Farbwiedergabe bei gewünschter Helligkeit. Für Bewegtbild-Displays gibt es Dual-Wire-ICLED-Versionen.
In der sich rasant entwickelnden Technologielandschaft hat sich die intelligente Beleuchtung als eine zentrale Innovation herauskristallisiert, die die Art und Weise, wie wir unsere Räume beleuchten, verändert. Vorangetrieben durch technologische Fortschritte und die wachsende Nachfrage nach energieeffizienten und nachhaltigen Lösungen hat die Beleuchtungsindustrie in den vergangenen zehn Jahren einen wichtigen Wandel hin zu intelligenter LED-Steuerung erlebt [1, 2, 3, 4]. Weil die Geräte immer ausgefeilter und multifunktionaler geworden sind, ist auch die Nachfrage nach leistungsstarken, kompakten und effizienten Komponenten stark gestiegen. Dieser Trend wird besonders in der Beleuchtungsindustrie deutlich, wo intelligente Beleuchtungssysteme die Entwicklung fortschrittlicher und integrierter Lösungen erfordern [5, 6]. Zu den bemerkenswertesten Entwicklungen in diesem Bereich zählen LED-Gehäuse mit integrierten Steuerungen [7].
Diese innovativen Komponenten sind eine direkte Antwort auf den wachsenden Bedarf an effizienteren und besser steuerbaren Beleuchtungssystemen. Die Integration der Steuerschaltung direkt in das LED-Gehäuse bringt für die Hersteller einige wichtige Vorteile:
- Größenreduzierung: Durch die Integration des Steuergeräts in das LED-Gehäuse lässt sich die Gesamtgröße der Beleuchtungslösung erheblich reduzieren. Das ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungen, bei denen der Platz knapp ist, wie beispielsweise bei modernen elektronischen Geräten, architektonischer Beleuchtung und Beleuchtungssystemen in Fahrzeugen.
- Verbesserte Leistung: Integrierte Controller ermöglichen eine präzisere Kontrolle über die Leistung der LED. Dies umfasst eine bessere Steuerung der Lichtleistung, der Farbtemperatur und des Energieverbrauchs. Das Ergebnis ist ein zuverlässigeres und effizienteres Beleuchtungssystem, das genau auf die jeweiligen Anforderungen abgestimmt werden kann.
- Vereinfachtes Design: Durch die Verringerung der Anzahl benötigter Einzelkomponenten vereinfachen integrierte LED-Gehäuse die Design- und Fertigungsprozesse. Das senkt nicht nur die Produktionskosten, sondern verbessert auch die Zuverlässigkeit des Endprodukts, weil potenzielle Fehlerquellen minimiert werden.
- Erweiterter Funktionsumfang: Durch die in das LED-Gehäuse eingebettete Steuerelektronik ist es möglich, zusätzliche Funktionen wie Dimmen, Farbwechsel und Netzwerkanbindung einzubauen. Diese Funktionen sind unerlässlich, um intelligente Beleuchtungssysteme zu realisieren, die sich an unterschiedliche Umgebungen und Benutzerpräferenzen anpassen können.
Würth Elektronik hat diesen Trend und die Nachfrage des Marktes nach innovativen Beleuchtungslösungen erkannt und eine neue Produktfamilie in sein Portfolio aufgenommen: die ICLEDs [7]. Diese neue Reihe intelligenter, gesteuerter LEDs bietet unvergleichliche Leistung, Zuverlässigkeit und Flexibilität.
IC-LEDs im Inneren
ICLEDs sind Halbleiterbauelemente, die mindestens eine lichtemittierende Diode (LED) mit einem integrierten Schaltkreis (IC) kombinieren (Bild 1). Die roten, grünen und blauen LED-Chips sind für die Lichtemission verantwortlich, während der integrierte Schaltkreis die betrieblichen Aspekte verwaltet, wie etwa das Dimmen der einzelnen LEDs, die Farbmischung und die Kommunikation zwischen der Steuereinheit (Mikrocontroller) und den benachbarten ICLEDs im Schaltkreis. Durch diese Kombination können ICLEDs komplexere Aufgaben erfüllen als Standard-LEDs und eignen sich daher für ein breiteres Spektrum von Anwendungen.
Integrierter Controller
Die Hauptaufgabe des integrierten Controllers (IC) in der ICLED besteht darin, das eingehende Signal am Data-IN-Pin (DIN) zu empfangen, die gegebenen Informationen an die LED-Chips zu senden, den Tastgrad umzuwandeln, die einzelnen PWM-Signale für die LED-Chips zu senden und, falls vorhanden, die Informationen der benachbarten LEDs über den Data-OUT-Pin (DOUT) zu übertragen. Weil es sich bei LEDs um Halbleiterbauelemente handelt, ermöglichen sie hohe Schaltgeschwindigkeiten, so dass das Dimmen mit Pulsweitenmodulation (PWM) für jede Anwendung geeignet ist [6], [8]. Diese Steuerung wird durch die Steuerung des durchschnittlichen Stroms durch die LED erreicht:
Dabei entspricht D dem definierten Tastverhältnis des PWM-Signals:
Gleichung 2 besagt, dass das Tastverhältnis gleich dem Verhältnis zwischen der Einschaltzeit und der Periode des Signals ist. Mit anderen Worten: Ein Treiber (z. B. MOSFET, bipolarer Transistor, Stromsensor, usw.) fungiert als »Schalter«, der die LED mit einer festen Frequenz ein- und ausschaltet [9,10]. Mit zunehmender Einschaltdauer wird sich auch die Lichtleistung der LED erhöhen. Bild 2 veranschaulicht die erwartete Auswirkung auf die Helligkeit einer IC-LED, wenn das Tastverhältnis des PWM-Signals für die rote LED auf 25 %, 50 % und 75 % geändert wird.
Die Informationen des PWM-Signals werden in »Bits« kodiert (am häufigsten 8 und 12 Bits pro Farbe), die vom Benutzer über einen Mikrocontroller (z. B. Arduino, STM32, ESP32, Adafruit Feather) definiert werden. Diese Bitkodierung wird in die Auflösung oder die verfügbaren Intensitätsstufen übersetzt, die der IC unterstützen kann. Der 131505093002 IC LED von Würth Elektronik [11] verfügt zum Beispiel über einen 8-Bit-Farbcodierer, der 256 Intensitätsstufen pro Farbe bietet. Weil sich in dem Gehäuse drei LED-Chips befinden, ermöglicht diese Kodierung über 16 Millionen verschiedene Farbkombinationen (2563), was eine Vielzahl von Beleuchtungsmöglichkeiten eröffnet.
Für detailliertere Informationen über IC-LEDs stellt Würth Elektronik eine Application Note zur Verfügung, die dem Anwender hilft, die Parameter auf den IC-LED-Datenblättern zu verstehen: AppNote ANO009 »Understanding parameters in ICLED datasheets« [12].
Programmierung von IC-LEDs
Viele IC-LEDs können über die SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral Interface) der meisten gängigen Mikrocontroller (z. B. Arduino, Raspberry Pi und ESP32 [13]) angesteuert werden. Diese Boards bieten die nötigen Schnittstellen und die erforderliche Rechenleistung, um die Kommunikationsprotokolle zu verarbeiten und die LEDs anzusteuern. Was die Softwarebibliotheken betrifft, so gibt es zahlreiche Open-Source-Ressourcen im Internet, die die Erstellung komplexer Lichteffekte erleichtern, ohne dass Low-Level-Code geschrieben werden muss (ein Beispiel ist die FastLED-Bibliothek auf Github [13]).
Fortgeschrittene Programmiertechniken ermöglichen die Erstellung dynamischer Beleuchtungsmuster oder die Integration von Sensoren wie etwa Abstands-, Bewegungs-, Temperatur- oder sogar Time-of-Flight-Sensoren (TOF). Dynamische Beleuchtungsmuster lassen sich realisieren durch die Verwendung von Arrays zur Speicherung von Farbwerten und die Iteration durch diese Arrays zur Aktualisierung der LEDs. Die Sensorintegration hingegen erfordert das Lesen von Sensordaten und deren Verwendung zur Anpassung der LED-Parameter in Echtzeit, was interaktive Beleuchtungssysteme ermöglicht.
24-Bit-Kommunikationsprotokoll für IC-LEDs
Die ICLED 1315050930002 von Würth Elektronik [11] verwendet ein 24-Bit-Kommunikationsprotokoll zur Steuerung seiner integrierten LEDs. Das Datenpaket der LED ist in einer bestimmten Reihenfolge aufgebaut: Grün, Rot und Blau mit jeweils 8 Bit. Diese Reihenfolge muss bei der Übertragung von Daten an die LED beachtet werden. Daraus bestimmt der IC die Länge des Impulses, ob das Bit als ‚0‘ oder ‚1‘ interpretiert wird. Ein ‚0‘-Bit wird durch einen kürzeren hohen Impuls gefolgt von einem niedrigen Impuls dargestellt, während ein ‚1‘-Bit durch einen längeren hohen Impuls gefolgt von einem niedrigen Impuls dargestellt wird. Die Timing-Parameter für die IC-LED 1315050930002 umfassen T0H (High-Time für ‚0‘-Bit), T0L (Low-Time für ‚0‘-Bit), T1H (High-Time für ‚1‘-Bit) und T1L (Low-Time für ‚1‘-Bit), die im Datenblatt der LED angegeben sind und für einen ordnungsgemäßen Betrieb genau eingehalten werden müssen. Die exakte Einhaltung des Timings stellt sicher, dass die LED die übertragenen Daten korrekt interpretiert und wie vorgesehen funktioniert.
Bild 3 zeigt das Funktionsprinzip von IC-LEDs. Der Einfachheit halber wird in diesem Beispiel das 8-Bit-Protokoll auf nur drei Bits reduziert, die jeweils für die Farben Grün, Rot und Blau stehen. In der ersten Schaltung gibt das vom Mikrocontroller gesendete Signal an, dass alle LEDs rot leuchten sollen. Die erste ICLED in der Reihe empfängt die gesamte Datenfolge, extrahiert ihre eigenen Informationen und sendet dann die restlichen Daten an die nächste LED in der Kette weiter (Daisy-Chain-Prinzip). Auch wenn keine weiteren Daten gesendet werden, behalten die ICLEDs ihren gewählten Zustand bei, bis sie ein Reset-Code-Signal erhalten, wie im Datenblatt angegeben, gefolgt von einem neuen Datenbefehl über den DIN-Pin.
Die Ansteuerdaten bestimmen die Pulsweitenmodulation für jede einzelne rote, grüne und blaue LED. Das heißt, die Dimmung wird nicht über die Stromstärke geregelt – denn das würde den Farbwert beeinflussen – sondern durch ein nicht wahrnehmbares schnelles Aus- und Einschalten des Stroms. Wenn bekannt ist, welche Frequenz bei den einzelnen LEDs zu welcher Farbmischung des Pixels führt, lassen sich beliebige Farbwerte und Helligkeiten erzeugen. Genau hier lag aber bislang das Problem: Anwendungsentwickler konnten diese Frequenzen nicht ohne Weiteres bestimmen und erhielten auch keine Hilfe von Herstellern.
REDEXPERT Color Calculator für genaue Farb- und Helligkeitswiedergabe
Mit dem ICLED Color Calculator hat Würth Elektronik eine neue Funktion seiner Online-Plattform REDEXPERT vorgestellt, die die Möglichkeiten der Beleuchtungs- und Signallösungen mit ihren ICLEDs massiv erweitert. Durch diesen Service können Entwickler nun erstmals mühelos die exakten PWM-Werte ermitteln, die notwendig sind, um einen bestimmten Farbwert darzustellen.
Auf der intuitiv bedienbaren Benutzeroberfläche des REDEXPERT ICLED Color Calculator (Bild 4) wählen Kunden den gewünschten ICLED-Typ sowie Farbe und Helligkeit im CIE1931-Normfarbsystem (»xy-Farbraum«). Das generiert automatisch den passenden digitalen Wert für die Pulsweitenmodulation der im ICLED-Bauelement verbauten RGB-LEDs, bezogen auf die Eigenschaften ihres Bins. Diese Werte können direkt in die Programmierung der ICLEDs übernommen werden.
Möglich wird das durch die sorgfältige Sortierung der ICLEDs in der Produktion. Um pro Charge nur LEDs mit einheitlichen Farbtemperatur- und Helligkeitseigenschaften anzubieten, gibt es zahlreiche Bins. Dank der Genauigkeit ihrer Qualitätskontrolle und ihres Binnings eröffnet Würth Elektronik mit dem innovativen Entwicklungstool neue Möglichkeiten für anspruchsvolle LED-Anwendungen, beispielsweise hochwertige LED-Matrix-Displays sowie Anwendungen, die sich farblich perfekt auf ein Corporate Design abstimmen lassen.
Dual-Wire-ICLEDs für bewegte Bilder
Insbesondere im Bereich von LED-Matrix-Displays weckt die Möglichkeit einer farbechten Darstellung den Wunsch nach hohen Frameraten für bewegte Bilder. Dies wird nun durch eine bisher selten angebotene ICLED-Variante realisierbar, die Würth Elektronik neu im Sortiment hat: Dual-Wire-ICLEDs (Bild 5).
Diese Technologie ermöglicht eine bis zu 13-mal schnellere Datenübertragung im Vergleich zu Single-Wire-ICLEDs. Sie arbeitet mit schnellen PWM-Raten von 20 kHz und erzeugt flimmerfreie Bilder. Ein weiterer Vorteil der Dual-Wire-ICLEDs ist ihr integrierter Schlafmodus, der die Stromaufnahme auf etwa 1 µA pro ICLED reduziert, wenn diese nicht in Betrieb sind. Das sorgt für eine deutlich energieeffizientere Nutzung, insbesondere in batteriebetriebenen Systemen. Zusätzlich bietet die Dual-Wire-Technologie eine frei einstellbare Taktfrequenz des Datensignals von bis zu 15 MHz, was eine flexible und schnelle Datenübertragung ermöglicht. Diese Kombination aus niedriger Leistungsaufnahme, hoher Anpassungsfähigkeit und schneller Datenübertragung macht die Dual-Wire-ICLEDs besonders attraktiv für moderne Smart-Lighting-Anwendungen.
Anwendungen: IC LED Featherwing
Der IC LED Featherwing (Bild 6) ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Integration des kleinsten IC-LED-Gehäuses von Würth Elektronik (1312020030000) in Mikrocontroller-Projekte, um LED-Anzeigen mit hoher Dichte und individueller Pixelansteuerung zu ermöglichen. Diese IC-LEDs verwenden das 24-Bit-Kommunikationsprotokoll, das eine präzise Steuerung von Farbe und Helligkeit jeder LED ermöglicht. Der Featherwing verfügt über eine 4-Lagen-Leiterplatte für EMV-Konformität, mit speziellen Lagen für VSS und VDD und Routing auf der oberen und unteren Lage. Er wird über einen USB-C-Anschluss (5 V @ 3 A) mit Strom versorgt und kann mit 1,8-V-Logik-Mikrocontrollern verwendet werden.
Zu den wichtigsten Merkmalen der IC-LEDs auf dem Featherwing gehören ein Versorgungsspannungsbereich von 3,3 V bis 5 V, ein minimaler logischer High-Pegel von 1,65 V und eine maximale Leistungsaufnahme von 8 W (per Software auf 2,5 W reduziert). Die LEDs bieten eine Leuchtdichte von bis zu 16.000 cd/m², mit Spitzenwellenlängen für Rot (630 nm), Grün (520 nm) und Blau (465 nm). Sie unterstützen einen typischen Ruhestrom von 90 mA und eine maximale Bildfrequenz von 150 Hz.
Der Featherwing enthält Funktionen zur Optimierung der Leistung von IC-LEDs, wie z. B. Level-Shifter für Logikpegel, EMV-Filter, Widerstände für die Stromverarbeitung, Sicherungen für den Überstromschutz und eine TVS-Diode für den Schutz vor Spannungsspitzen. Darüber hinaus hat Würth Elektronik sogar die Steuerbibliotheken für dieses Produkt auf seiner Github-Seite [14, 15] zur Verfügung gestellt, so dass die Benutzer dynamische visuelle Anzeigen, Animationen und interaktive Projekte erstellen können, indem sie die präzise Steuerung und Vielseitigkeit der IC-LEDs von Würth Elektronik nutzen.
Literatur
[1] L. Lohaus, E. Leicht, S. Dietrich, R. Wunderlich, and S. Heinen, »Advanced color control for multicolor LED illumination systems with parametric optimization,« in IECON Proceedings (Industrial Electronics Conference), 2013, pp. 3305-3310. doi: 10.1109/IECON.2013.6699658.
[2] S. Ravi, R. Srividya, C. kurian, C. Srinivasan, and D. Velickovic, »Implementation of a tunable RGB LED light source An Embedded System for Color Point Control of LEDs Against Ambient Temperature Variations View project Implementation of a Tunable RGB LED Light Source,« 2015. [Online]. Verfügbar unter: https://www.researchgate.net/publication/298640877.
[3] R. Cirjan und S. Gheorghe, »Offline-Intelligent-RGB-LED-Light-System-Solution-00002691A,« AN2691, 2018. Accessed: Jun. 19, 2024. [Online]. Verfügbar: https://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/Offline-Intelligent-RGB-LED-Light-System-Solution-00002691A.pdf.
[4] J. Higuera, A. Llenas und J. Carreras, »Trends in intelligenter Beleuchtung für das Internet der Dinge.«
[5] »Einführung von Philips hue: die intelligenteste LED-Glühbirne der Welt, die eine neue Ära der Heimbeleuchtung einläutet.«
[6] B. Thompson und S. Allen, »High Resolution RGB LED Color Mixing Application Note«, AN1562, 2014.
[7] Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, »WL-ICLED Integrated Controller within LED«. Accessed: Jun. 19, 2024. [Online]. Verfügbar: https://www.we-online.com/en/components/products/WL-ICLED.
[8] L. Svilainis, »LED PWM dimming linearity investigation,« Displays, vol. 29, no. 3, pp. 243-249, Jul. 2008, doi: 10.1016/j.displa.2007.08.006.
[9] A. Berry u.a., »MOSFET & GaN FET Application Handbook A Power Design Engineer‘s Guide«, Nexperia. Zugegriffen: Jun. 20, 2024. [Online]. Verfügbar unter: https://assets.nexperia.com/documents/user-manual/Nexperia_document_book_MOSFETGaNFETApplicationHandbook_2020.pdf
[10] A. Berry u.a., »The Power MOSFET Application Handbook Design Engineer‘s Guide«, Manchester, Vereinigtes Königreich. Zugänglich: 20. Mai 2024. [Online]. Verfügbar unter: https://www.nxp.com/docs/en/user-guide/MOSFET-Application-Handbook.pdf
[11] Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, »1315050930002 Produktdatenblatt«, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG. Accessed: Jun. 20, 2024. [Online]. Verfügbar unter: https://www.we-online.com/components/products/datasheet/1315050930002.pdf.
[12] C. R. Hernandez Gomez, »APPLICATION NOTE ANO009 | Understanding parameters in ICLED datasheets,« Mai 2024. Accessed: Jun. 20, 2024. [Online]. Verfügbar unter: https://www.we-online.com/components/media/o782907v410%20ANO009b_Understanding%20parameters%20in%20ICLED%20datasheets_EN.pdf
[13] »FastLED«, Github. Accessed: Jun. 21, 2024. [Online]. Verfügbar: https://github.com/FastLED/FastLED.
[14] Github-Page von Würth Elektronik, »ICLEDFeatherWing.« Accessed: Jun. 28, 2024. [Online]. Verfügbar unter: https://github.com/WurthElektronik/FeatherWings/tree/main/ICLEDFeatherWing.
[15] Github-Page von Würth Elektronik, ICLED Software Development Kit: https://github.com/WurthElektronik/ICLED_SDK
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