Technische Grundlagen und Designpraxis
RGB-LED-Indikatoren für Embedded Systeme und Displays
RGB-LED-Indikatoren machen Statusanzeigen vielseitiger: Mit Millionen Farbkombinationen lassen sich Zustände präziser darstellen – und das bei sehr geringem Energiebedarf. Welche technischen Vorteile bieten RGB-Indikatoren konkret und worauf kommt es bei Auswahl und Integration an?
Elektronische Schaltkreise müssen häufig ihren Betriebsstatus kommunizieren, und eine Leuchtanzeige bietet eine einfache Möglichkeit dazu. Unter den Beleuchtungslösungen verbrauchen LEDs weniger Energie als herkömmliche Leuchtmittel. Sie können mit geringem Stromverbrauch betrieben werden, was bei eingebetteten Instrumentensystemen mit begrenzter Batterieleistung von Vorteil ist.
Wenn der Betrieb ein einfaches Signalsystem mit nur roten, gelben und grünen Farben erfordert, kann ein einfacher RYG-Indikator verwendet werden. In solchen Fällen würde Rot „Gefahr“ oder „Betriebsunterbrechung“ bedeuten, während ein grünes Licht anzeigt, dass alle Systeme ordnungsgemäß funktionieren. RYG-Systeme bieten eine traditionelle Lösung, die in einfachen Schalttafeln und Signalsäulen in der industriellen Fertigung verwendet wird.
Erweiterte Farbsignale mit RGB-LED-Indikatoren
RGB-LED-Indikatoren (Rot-Grün-Blau) dienen ebenfalls der visuellen Anzeige. Sie kommunizieren den Betriebszustand, indem sie in unterschiedlichen Farben aufleuchten. RGB-LED-Indikatoren bieten eine reiche Farbpalette und liefern visuell differenziertere Informationen. Zur Anzeige eines Temperaturbereichs in einem Farbverlauf werden zum Beispiel unterschiedliche Farbtöne benötigt, um die Intensität darzustellen.
Darüber hinaus kann ein RGB-LED-Indikator die Funktion von zwei oder drei verschiedenen Anzeigen übernehmen, indem er so moduliert wird, dass er die gewünschte Farbe anzeigt. Der Platzbedarf wird dadurch geringer.
RGB-LED-Indikatoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Bildschirme in robusten Maschinen, Smart-Home-Geräten und eingebetteten Systemen in industriellen Anwendungen. Die RGB-Indikatoren der Serie Q10/14/16/19/22 (Bild 1) von APEM bieten praktisch unbegrenzte Farboptionen und eine Lebensdauer von 100.000 Stunden. RGB-LEDs sind in der Regel die Komponenten der Wahl für moderne Instrumente, da sie mehr Farben darstellen können und gleichzeitig weniger Energie verbrauchen.
Wie RGB-LEDs funktionieren
Ein Treiber steuert die Farbanzeige, indem er den an die LEDs gesendeten Strom regelt. Er verwendet dazu acht Bits, um die gewünschte Farbmenge für jeden Kanal (R, G oder B) darzustellen. Die 8-Bit-Darstellung 00000000 im Rotkanal bedeutet beispielsweise, dass in der endgültigen Farbzusammenstellung kein Rot vorkommen soll. Da jede 8-Bit-Darstellung eine Kombination aus 0 und 1 ist, kann jedes Farbmodul 28 bzw. 256 verschiedene Werte haben – von Null bis 255.
Jeder dieser 256 Werte steht für eine sehr geringe Variation in der Intensität der Farben Rot, Grün und Blau. Weil jeder dieser 256 Werte in den roten, grünen und blauen Elementen in verschiedenen Kombinationen eingestellt werden kann, können Schaltungsentwickler Millionen von Farbtönen darstellen, nämlich 256 x 256 x 256 bzw. 16,7 Millionen Farben (Bild 2). Die RGB-Werte für die Farbe Fuchsia entsprechen beispielsweise der folgenden Kombination aus den drei Farbkomponenten: R: 255, G: 0, B: 255. Die RGB-Werte für Chartreuse hingegen sind: R: 223, G: 255, B: 0.
Dimmen per PWM oder CCR
Damit der RGB-LED-Indikator eine bestimmte Farbe anzeigt, muss die Intensität der roten, grünen und blauen Komponenten durch Manipulation der Stromzufuhr zu jedem Farbmodul fein abgestimmt werden. Es gibt zwei Möglichkeiten, eine LED dynamisch zu dimmen: durch Konstantstromreduktion (CCR) oder Pulsweitenmodulation (PWM).
Bei der CCR-Methode wird die Stromstärke der LED reduziert, was zu einer Veränderung der Lichtleistung führt. Diese Methode ist einfach und hat einige Vorteile. Bei der PWM-Methode hingegen bleibt die Strommenge konstant, aber statt ununterbrochen Strom an die LED zu senden, wird er in schnellen Impulsen gesendet, wodurch die LED häufig pro Sekunde ein- und ausgeschaltet wird. Die resultierende Lichtintensität der LED ist proportional zu dem Anteil der Zeit, während der Strom eingeschaltet ist, dem so genannten „Tastverhältnis“.
PWM ist eine besonders geeignete Technik zur Steuerung von RGB-LED-Indikatoren, da sie eine granulare Steuerung der endgültigen Farbausgabe ermöglicht. Darüber hinaus lässt sich PWM mit Hilfe von Mikrocontrollern, die die Ausgänge zwischen High- und Low-Pegeln umschalten, leicht digital steuern.
Ästhetik für RGB-LED-Indikatoren
Wenn in den Displays und Bedienfeldern elektrischer Instrumente und Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI) Indikatoren verwendet werden, müssen sie stärker in die Geräte integriert sein. Herkömmliche zweipolige LEDs benötigen in der Regel einen festen Sockel, um sie zu fixieren, und die Indikatoren ragen oft durch Löcher in der Schalttafel heraus. Derart hervorstehende LED-Anzeigen passen möglicherweise nicht zu der Ästhetik des Geräts, die den Designern vorschwebt. Darüber hinaus besteht bei hervorstehenden Komponenten die Gefahr, dass sie leicht beschädigt werden.
Andererseits werden Indikatoren für die Panelmontage an der Schalttafel befestigt, was die Planung und Installation erheblich erleichtert. In solchen Fällen dienen Blenden als Befestigungsmechanismus und sind ästhetisch ansprechender. Die Blendenoption bietet auch ein einwandfreies Erscheinungsbild gegenüber einer LED, die aus dem Panel herausragt und anfällig für Beschädigungen ist.
Selbst bei den Blendenoptionen können RGB-LED-Indikatoren bündig oder hervorstehend montiert werden. Die bündig abschließende Blende liegt flach auf dem Panel auf und bietet ein gepflegtes und modernes Aussehen. Die hervorstehende Blende hingegen hat eine LED-Kappe, die leicht über die Oberfläche hinausragt. Solche leichten Vorsprünge sind besonders nützlich, wenn das Display aus verschiedenen Winkeln betrachtet werden soll. Die hervorstehende Blende ist in sonnigen Außenbereichen oder in Industrieumgebungen mit grellem Licht leichter zu erkennen. Die Wahl der Blende hängt letztlich von der endgültigen Anwendung ab. Bei ungünstigen Lichtverhältnissen müssen die Anzeigen besser sichtbar sein, weshalb die hervorstehende Version die bessere Wahl ist. Wenn die Ästhetik das einzige Anliegen der Designer ist, ist die bündige Montage die bessere Option.
Zusätzlich zu den Blenden erfordern die Einbaumechanismen von Indikatoren für die Panelmontage die Festlegung von Aussparungen in der Schalttafel, in denen sie untergebracht werden können. Die Aussparungen können für Einrastelemente für die schnellere Montage sein, aber dazu müssen die Aussparungen präziser geschnitten sein. Für mehr Sicherheit, insbesondere in Umgebungen mit starken Vibrationen, können die Indikatoren auch mit Muttern am Panel angeschraubt werden. Die Größe der Aussparungen im Panel kann variieren. Die RGB-LED-Indikatoren der Q-Serie von APEM sind in den Größen 10, 14, 16, 19 und 22 mm erhältlich und verfügen sowohl über bündige als auch über vorstehende Blenden.
Auswahl des richtigen RGB-LED-Indikators
In Anbetracht der verschiedenen Möglichkeiten sind hier einige Kriterien aufgeführt, die zur Auswahl des richtigen LED-Indikators für eine bestimmte Anwendung dienen:
- Gemeinsame Anode oder Kathode: Bei der gemeinsamen Anode teilen sich die drei Komponenten Rot, Grün und Blau den positiven Anschluss (Anode), bei der gemeinsamen Kathode den negativen Anschluss. Für den LED-Treiber sind unterschiedliche elektronische Komponenten erforderlich, je nachdem, ob Gehäuse mit gemeinsamer Anode bzw. gemeinsamer Kathode verwendet werden.
- Durchsteckmontage oder Oberflächenmontage: Die Art der Installation des RGB-LED-Indikators
- Größe des Indikators und der Aussparung in der Schalttafel: (bei Verwendung von Optionen für die Oberflächenmontage)
- Die Helligkeit des LED-Indikators und sein Abstrahlwinkel
- Spannungs- und Stromwerte: Diese müssen den erwarteten Bereichen im Schaltkreis entsprechen, um eine zuverlässige Performance zu gewährleisten
- Steuerverfahren für die LED-Indikatoren: Diese können von der Verwendung separater PWM-Kanäle über einen Mikrocontroller bis hin zu integrierten Treiberschaltungen reichen, die noch feinere Abstimmungsmöglichkeiten bieten.
- Umgebungskriterien: Vibrationen, Stöße, Staub und extreme Hitze oder Kälte bestimmen die Art der LED, die für bestimmte Anwendungen erforderlich ist.
RGB-LED-Indikatoren der Q-Serie
Die Q-Serie von APEM (Vertrieb: DigiKey) bietet eine kombinierte Beleuchtung mit intensiver RGB-Lichtleistung und einer helleren Ausleuchtung als bei der RYG-Option. Zur Anpassung an die Ästhetik des Panels sind eingelassene Optionen erhältlich. Die Q-Serie wird optional mit Epoxidharzversiegelung angeboten, um das Eindringen von Wasser zu verhindern, was bei Anwendungen im Freien oder in Innenräumen mit hoher Luftfeuchtigkeit erforderlich ist.
Darüber hinaus bietet die Q-Serie Standard-, hyperhelle und superhelle Optionen. Während die Standardvariante für alle Anwendungen in Innenräumen geeignet ist, ist die hyperhelle Variante für Außenanwendungen vorgesehen, bei denen der Abstrahlwinkel wichtig ist. Bei der superhellen Variante handelt es sich ebenfalls um eine tageslichttaugliche LED, die jedoch einen viel engeren Abstrahlwinkel hat, der sich gut für große Entfernungen eignet.
Fazit
RGB-LED-Indikatoren eignen sich gut für moderne Elektronik, weil sie visuelle Signale liefern und dabei nur wenig Energie verbrauchen. Darüber hinaus sind die Anzeigen der Serie APEM_Q10/14/16/19/22 mit zahlreichen Features ausgestattet und bieten dem Kunden eine Vielzahl von Möglichkeiten für nahezu jede Anwendung, die eine Anzeige auf der Schalttafel erfordert.
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