如何讓LED綻放萬(wàn)種色彩的原理與結(jié)構(gòu)

“發(fā)光二極管 （LED） 是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)信息顯示方法。但是，對(duì)于某些項(xiàng)目而言，一個(gè)單色LED可能不夠。而由于空間、成本或功耗限制，多個(gè)LED又可能不太現(xiàn)實(shí)。針對(duì)這些情況，多色LED提供了一種有效的解決方案，前提是這種LED能與微控制器正確連接。

”作者：Bill Giovino

發(fā)光二極管 （LED） 是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)信息顯示方法。但是，對(duì)于某些項(xiàng)目而言，一個(gè)單色LED可能不夠。而由于空間、成本或功耗限制，多個(gè)LED又可能不太現(xiàn)實(shí)。針對(duì)這些情況，多色LED提供了一種有效的解決方案，前提是這種LED能與微控制器正確連接。

本文將首先闡述LED的基礎(chǔ)知識(shí)，然后討論多色LED的優(yōu)勢(shì)，之后介紹哪些是合適的多色LED解決方案，最后說(shuō)明如何將LED連接到微控制器，以產(chǎn)生多達(dá)1600萬(wàn)種不同的顏色。

LED的結(jié)構(gòu)與原理

在設(shè)計(jì)帶LED的電路時(shí)，務(wù)必記住這些器件不是白熾燈泡，而是恰好能發(fā)光的半導(dǎo)體器件（二極管）。作為二極管，它們通常只允許電流主要流向一個(gè)方向（二極管并不理想，因此在反向偏置時(shí)會(huì)產(chǎn)生少量電流）。

普通LED的發(fā)光部分是位于組件中心的簡(jiǎn)單半導(dǎo)體二極管，由單個(gè)p-n結(jié)構(gòu)成（圖1）。電流從連接到P型硅的LED陽(yáng)極流向連接到N型硅的LED陰極。在普通二極管中，p-n結(jié)通常是鍺 （Ge） 或硅 （Si）。然而，對(duì)于LED而言，這個(gè)結(jié)通常是透明的磷砷化鎵 （GaAsP） 或磷化鎵 （GaP） 半導(dǎo)體材料。

圖1：LED組件含有半導(dǎo)體p-n結(jié)芯片，可使電流從陽(yáng)極流到陰極。帶透鏡的透明外殼可以讓用戶輕松看到產(chǎn)生的發(fā)射光。（圖片來(lái)源：維基百科）

利用透明的GaAsP或GaP，施加在p-n結(jié)上的正向電壓會(huì)從半導(dǎo)體釋放出光子。p-n結(jié)安裝在反射鏡腔上，而該鏡腔可將光子聚集到LED透鏡。LED的透鏡和本體由透明環(huán)氧樹(shù)脂組成，而樹(shù)脂可選擇性地進(jìn)行著色，以匹配發(fā)射光的顏色。

反射鏡腔位于稱為鐵砧的引線框上，陰極通過(guò)接合線連接到稱為極柱的引線框上。鐵砧和極柱的形狀可使它們與LED環(huán)氧樹(shù)脂本體形成牢固連接，從而無(wú)法將陽(yáng)極或陰極引腳從LED環(huán)氧樹(shù)脂本體上拉出，造成LED損壞。

單色LED

LED有多種顏色可供選擇，包括紅色、綠色、黃色、琥珀色、青色、橙色、粉色、紫色以及最近出現(xiàn)的白色和藍(lán)色。單色LED配備的半導(dǎo)體芯片由可產(chǎn)生所需光線波長(zhǎng)的材料組成，并且LED環(huán)氧樹(shù)脂殼體組件通常具有相同的顏色。雖然不需要使透鏡具有與發(fā)射光相同的顏色，但重要的是，要容易識(shí)別LED元件的顏色，防止與其他LED混淆。

多色LED

對(duì)于某些空間、成本和功耗受限的系統(tǒng)而言，最好使用一個(gè)能發(fā)出多種顏色的LED。通常情況下，這種多色LED在一個(gè)透明環(huán)氧樹(shù)脂外殼內(nèi)部配備三個(gè)LED，分別是紅色、綠色和藍(lán)色 （RGB）。Adafruit Industries的2739 RGB LED就是一個(gè)很好的例子（圖2）。該LED專為多色指示燈而設(shè)計(jì)，配有一個(gè)寬2.5mm、高5 mm的矩形透鏡發(fā)光表面，以及四根可在PC板上進(jìn)行通孔安裝的徑向引線。

圖2：Adafruit的2739 RGB LED采用寬2.5mm、高5mm的透明環(huán)氧樹(shù)脂矩形透鏡，并帶有四根徑向引線，用于在PC板上進(jìn)行通孔安裝。（圖片來(lái)源：Adafruit Industries）

通常情況下，三個(gè)內(nèi)部LED中的任何一個(gè)均可以單獨(dú)使用，也可與其他LED結(jié)合使用，以產(chǎn)生不同的顏色。

多色RGB LED通常有三種引腳布局：

1）所有LED共用一個(gè)陽(yáng)極，每個(gè)LED有一個(gè)陰極，總共四個(gè)引腳

2）所有LED共用一個(gè)陰極，每個(gè)LED有一個(gè)陽(yáng)極，總共四個(gè)引腳

3）每個(gè)陽(yáng)極和陰極都分配引腳，總共六個(gè)引腳

使用多色LED進(jìn)行設(shè)計(jì)

Adafruit的2739 RGB LED具有一個(gè)共陽(yáng)極，紅色、綠色和藍(lán)色LED的每個(gè)陰極都分配引腳，總共四個(gè)引腳（圖 3）。共陽(yáng)極連接到正極電源，而每個(gè)紅色、綠色和藍(lán)色LED通過(guò)接地來(lái)接通。

圖3：Adafruit的2739 RGB LED具有一個(gè)共陽(yáng)極，而紅色、綠色和藍(lán)色LED分別配有一個(gè)單獨(dú)的陰極。（圖片來(lái)源：Adafruit Industries）

如何生成多種顏色

如果某種應(yīng)用只需要顯示三種狀態(tài)中的一種，那么使用2739 RGB LED的最簡(jiǎn)單方法是一次打開(kāi)一個(gè)LED，用戶可以選擇紅色、綠色或藍(lán)色中的一種。

對(duì)于多種顏色，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)單地將兩種顏色組合在一起，提供以下六種顏色選項(xiàng)：

?紅色

?綠色

?藍(lán)色

?黃色（紅色 + 綠色）

?青色（綠色 + 藍(lán)色）

?洋紅色（紅色 + 藍(lán)色）

為了編制清晰的項(xiàng)目文檔，顯示的顏色應(yīng)該清晰易辨，并且易于口頭確認(rèn)。例如，具有全電流的綠色LED可以在LED規(guī)格書(shū)中記錄為“綠黃色”。然而，當(dāng)LED亮起時(shí)，大多數(shù)消費(fèi)者和開(kāi)發(fā)人員在被問(wèn)及時(shí)，都會(huì)將顏色識(shí)別為“綠色”。無(wú)論顏色的實(shí)際名稱如何，用戶都應(yīng)該能夠通過(guò)視覺(jué)和標(biāo)簽輕松區(qū)分出不同的顏色。很少有人能夠輕易地識(shí)別出“綠色”和“綠黃色”之間的區(qū)別，如果這兩種顏色并排呈現(xiàn)，則可能將綠黃色識(shí)別為“綠色”，將綠色識(shí)別為“深綠色”。

對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用，可以按不同的強(qiáng)度組合RGB，從而產(chǎn)生多達(dá)1600萬(wàn)種顏色。實(shí)現(xiàn)這一目的的可靠方法是：將脈沖寬度調(diào)制 （PWM） 信號(hào)應(yīng)用于每個(gè)LED，其中占空比與強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。人眼可以識(shí)別出200赫茲 （Hz） 或更慢的閃爍頻率，因此，為了避免閃爍，應(yīng)使用1000Hz或更快的PWM頻率。

顏色可通過(guò)RGB色碼輕松選擇。這基于RGB加色模型，其中紅光、綠光和藍(lán)光在強(qiáng)度上各不相同，組合在一起幾乎可以重新生成任何顏色。該模型適用于光線，是電視和顯示屏中色彩再現(xiàn)的依據(jù)，還可用于呈現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)上的顏色。

RGB色碼的簡(jiǎn)寫用 （R，G，B） 表示，其中R、G和B是紅色、綠色和藍(lán)色強(qiáng)度的十進(jìn)制值，范圍介于0到255之間。例如，藍(lán)色的十進(jìn)制RGB色碼為 （0，0，255），紫色為 （128，0，128），銀色為 （192，192，192）。在確定每種顏色的PWM占空比時(shí)，需將這些值除以255，因此藍(lán)色的占空比為 （0，0，100%），紫色的占空比為 （50%，0，50%），銀色的占空比為 （75%，75%，75%）。

從理論上講，白光由 （255，255，255） 表示，并且可通過(guò)同時(shí)打開(kāi)全強(qiáng)度的紅色、綠色和藍(lán)色LED來(lái)生成。然而，在實(shí)踐中，通過(guò)該方法產(chǎn)生的顏色通常是帶有偏藍(lán)色調(diào)的白色。出現(xiàn)這種色調(diào)是因?yàn)椋傻腖ED顏色與理想的紅色、綠色和藍(lán)色的精確波長(zhǎng)不完全匹配。

微控制器很容易生成所需的PWM信號(hào)。Microchip Technology的ATSAMC21J18A就是一個(gè)合適的例子（圖4）。該微控制器是一款用于物聯(lián)網(wǎng)端點(diǎn)的低功耗器件，是該公司SAM C21微控制器系列產(chǎn)品之一。它配有48MHz Arm? Cortex?-M0+內(nèi)核，支持5伏I/O電壓。

圖4：ATSAMC21J18A微控制器具有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器單元，能夠自動(dòng)生成三個(gè)同步PWM信號(hào)。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

為了驅(qū)動(dòng)LED，ATSAMC21J18A配有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器單元，能夠自動(dòng)生成三個(gè)同步PWM信號(hào)。SAM C21系列產(chǎn)品配有高電流阱選件，可使連接各電流阱的四個(gè)I/O引腳的最大電流為20毫安 （mA）。

使用LED時(shí)，選擇正確的串聯(lián)電阻器來(lái)限制電流非常重要。電阻值太小的電阻器會(huì)破壞LED，而電阻值過(guò)高的電阻器會(huì)導(dǎo)致光線昏暗或無(wú)光。串聯(lián)電阻器的值由每個(gè)LED的正向電壓和所需的電流決定。

LED是電流控制的半導(dǎo)體。此外，值得注意的是，由于材料的物理特性，LED的工作電壓會(huì)隨著發(fā)射光波長(zhǎng)的減小而增加，這是使用多個(gè)LED時(shí)要考慮的重要因素。

當(dāng)Adafruit的2739 RGB LED正向電流為20 mA時(shí)，Adafruit 圖表中規(guī)定的LED典型正向電壓為2伏（紅色）和3.2伏（綠和藍(lán)色）。

如果共陽(yáng)極連接到5伏電壓，那么LED和I/O引腳之間的電阻值由以下等式確定：

其中：

VDD = 5伏

VOL = ATSAMC21J18A 的輸出低壓 = 0.1 x VDD = 0.5伏

VF = 正向電壓（典型值）

I = 正向電流，單位：安培

R = 電阻值，單位：歐姆 （Ω）

在I = 20mA的情況下使用該公式，結(jié)果是：RRED （VF = 2 V） = 125Ω，RGREEN = RBLUE （VF = 3.2V） = 65Ω。

如果計(jì)算出的電阻不能作為標(biāo)準(zhǔn)電阻值，開(kāi)發(fā)人員可以選擇下一個(gè)較低值，或者下一個(gè)較高值（首選）。如果選擇較低值，則必須注意，不得超過(guò)該LED的最大正向電壓或ATSAMC21J18A I/O端口的最大電流灌入能力。雖然在超過(guò)這些最大值時(shí)LED仍然可以工作，但可能會(huì)降低LED的使用壽命，也可能隨著時(shí)間的推移，降低I/O端口的性能或損壞該端口?；蛘?，如果應(yīng)用仍能接受較暗光線，則可以降低正向電流。例如，當(dāng)正向電流為15mA時(shí)，Adafruit的2739 RGB LED指定正向電壓會(huì)降至1.9伏（紅色）和3.1伏（綠色和藍(lán)色），這樣會(huì)導(dǎo)致電阻值RRED = 173.3Ω，RGREEN = RBLUE = 93.3Ω。

由于ATSAMC21J18A可通過(guò)控制接地連接來(lái)控制LED，當(dāng)I/O端口為邏輯低電平時(shí)，單個(gè)LED亮起；當(dāng)I/O端口為邏輯高電平時(shí)，單個(gè)LED熄滅。因此，必須倒置計(jì)算出的RGB色碼占空比。例如，如果顏色需要25%的占空比，則PWM必須能產(chǎn)生75%的占空比，才能使LED在25%的周期時(shí)間內(nèi)工作。此外，如果LED必須在上電時(shí)熄滅，則微控制器啟動(dòng)代碼必須能使三個(gè)引腳處于邏輯高電平。

ATSAMC21J18A配備256Kb閃存、32Kb RAM和各種模擬外設(shè)。該微控制器還配有六個(gè)串行通信模塊 （SERCOM），每個(gè)模塊都可以作為USART、SPI、LIN從器件或I2C接口

智能RGB LED設(shè)計(jì)

使用RGB LED生成多種顏色的另一種方法是對(duì)其進(jìn)行編程。智能LED是一個(gè)術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述這種帶有可編程串行接口的多色LED。American Bright Optoelectronics的BL-HBGR32L-3-TRB-8就是一個(gè)很好的例子。它是一款5mm方形RGB LED，可以使用800千赫 （kHz） I2C接口進(jìn)行編程，從而產(chǎn)生任何顏色（圖5）。

圖5： American Bright的BL-HBGR32L-3-TRB-8是一款尺寸為5mm的方形六引腳數(shù)字RGB LED，配有I2C直通引腳布局，可使多個(gè)器件以菊花鏈方式連接在同一I2C接口上。（圖片來(lái)源： American Bright Optoelectronics Corp.）

I2C接口不僅可以節(jié)省板空間，而且可以簡(jiǎn)化微控制器代碼，這種便利性極大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。ATSAMC21J18A上的一個(gè)SERCOM端口可配置為I2C串行接口，以便輕松連接到BL-HBGR32L-3-TRB-8。參考圖5中的引腳布局，來(lái)自ATSAMC21J18A微控制器的I2C數(shù)據(jù)信號(hào)連接到引腳1數(shù)據(jù)輸入信號(hào)，I2C時(shí)鐘連接到引腳2時(shí)鐘輸入。

在對(duì)BL-HBGR32L-3-TRB-8 LED的顏色進(jìn)行編程時(shí)，需要發(fā)送四個(gè)代表全局亮度設(shè)置和RGB色碼的字節(jié)，作為一個(gè)32位字。這款智能LED在引腳6上配有數(shù)據(jù)輸出直通，在引腳5上配有I2C時(shí)鐘直通，這樣可使多個(gè)LED能夠以菊花鏈方式連接在一起，以便每個(gè)LED可以顯示不同的顏色。

總結(jié)

了解多色RGB LED的驅(qū)動(dòng)方式之后，不僅可以節(jié)省空間、成本和功耗，還可以增強(qiáng)終端系統(tǒng)、設(shè)備、狀態(tài)指示燈或照明系統(tǒng)的美觀性及用戶界面。開(kāi)發(fā)人員既可以選擇能對(duì)每個(gè)LED進(jìn)行完全控制的標(biāo)準(zhǔn)RGB LED，也可以選擇能對(duì)顏色進(jìn)行編程控制的智能LED。此外，當(dāng)涉及到通常用于產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的微控制器時(shí)，目前有許多低功耗、低成本選項(xiàng)可供選擇。
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