Accionamiento de los LED multicolor

Por Bill Giovino

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Los diodos emisores de luz (LED) son un medio sencillo y rentable que proporciona información de estado. Sin embargo, para algunos proyectos, es posible que un LED de un solo color no sea suficiente, mientras que múltiples LED pueden ser poco prácticos, debido a limitaciones de espacio, costos o energía. Para estas situaciones, los LED multicolor brindan una solución efectiva, siempre y cuando estén adecuadamente conectados a un microcontrolador.

En este artículo se explicarán los conceptos básicos de los LED y se analizarán las ventajas de los LED multicolor antes de presentar soluciones de LED multicolor adecuadas. Por último, se mostrará cómo los LED pueden conectarse a un microcontrolador para producir hasta 16 millones de colores diferentes.

Tratar los LED como diodos

Cuando se diseña un circuito con un LED, es importante recordar que estos dispositivos no son bombillas incandescentes, sino dispositivos semiconductores (diodos) que emiten luz. Como diodos, suelen permitir solo el flujo de corriente principalmente en una dirección (los diodos no son ideales, por lo que exhiben una pequeña cantidad de flujo de corriente cuando están polarizados en sentido inverso).

La parte emisora de luz de un LED común es un simple diodo semiconductor en el centro del conjunto, compuesto por una única unión P-N (Figura 1). La corriente fluye desde el ánodo del LED, que está conectado al silicio tipo P, al cátodo del LED, que está conectado al silicio tipo N. En diodos comunes, la unión P-N suele ser germanio (Ge) o silicio (Si). Sin embargo, para los LED, la unión suele ser un material semiconductor de fosfuro de arseniuro de galio (GaAsP) o fosfuro de galio (GaP) transparente.

Diagrama de montaje de LED

Figura 1: Un conjunto de LED aloja a la matriz de unión P-N de semiconductor, que permite que la corriente fluya desde el ánodo hacia el cátodo. Un receptáculo transparente con lente permite que el usuario vea fácilmente la luz emitida resultante. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

Con GaAsP o GaP transparente, el voltaje directo aplicado a través de la unión P-N libera fotones del semiconductor. La unión P-N está montada en una cavidad reflectante que enfoca los fotones hacia la lente del LED. La lente y el cuerpo del LED están compuestos de una resina epóxica transparente que, opcionalmente, puede colorearse para que coincida con el color de la luz emitida.

La cavidad reflectante yace sobre un bastidor de conexión conocido como yunque, y el cátodo está conectado por un cable de unión a un marco de plomo conocido como poste. El yunque y el poste tienen una forma tal que constituyen una fuerte conexión con el cuerpo epóxico del LED, de modo que las clavijas del ánodo o del cátodo no pueden sacarse del cuerpo epóxico del LED sin destruir el LED.

LED de un solo color

Los LED están disponibles en muchos colores, incluidos rojo, verde, amarillo, ámbar, cian, naranja, rosa, púrpura y, recientemente, blanco y azul. Los LED de un solo color tienen un molde semiconductor compuesto por un material que genera la longitud de onda deseada de luz, con el conjunto del receptáculo epóxico del LED que, a menudo, tiene el mismo color. Si bien no es necesario que el lente tenga el mismo color que la luz emitida, es clave para identificar fácilmente el color del componente del LED con el fin de evitar confusiones con otros LED.

LED multicolor

Para algunos sistemas donde el espacio, los costos y la energía son limitaciones, es una ventaja tener un LED que pueda transmitir más de un color. Por lo general, estos LED multicolor tienen tres LED: uno rojo, uno verde y otro azul (RGB), dentro de un único receptáculo epóxico transparente. Un buen ejemplo es el LED RGB 2739 de Adafruit Industries (Figura 2). Diseñado para luces indicadoras multicolor, tiene una superficie que emite lentes rectangulares que miden 2.5 mm de ancho por 5 mm de alto y viene con cuatro conductores radiales para el montaje en orificios pasantes en una placa de CI.

Imagen del LED RGB 2739 de Adafruit

Figura 2: El LED RGB 2739 de Adafruit tiene una lente transparente epóxica rectangular que mide 2.5 mm de ancho por 5 mm de alto. Viene con cuatro conductores radiales para montaje en orificios pasantes en una placa de CI. (Fuente de la imagen: Adafruit Industries)

Por lo general, cualquiera de los tres LED internos puede usarse individualmente o combinándolo con los otros para producir diferentes colores.

Los LED RGB multicolor están comúnmente disponibles en tres patillajes:

  1. Un ánodo común para todos los LED, con cada cátodo individual disponible para un total de cuatro clavijas
  2. Un cátodo común para todos los LED, con cada ánodo individual disponible para un total de cuatro clavijas
  3. Cada ánodo y cátodo individuales se fijan para un total de seis clavijas

Diseño con LED multicolor

El LED RGB 2739 de Adafruit tiene un ánodo común con cada uno de los cátodos para los LED rojo, verde y azul resaltados individualmente para un total de cuatro clavijas (Figura 3). El ánodo común está conectado a la fuente de alimentación positiva, mientras que cada uno de los LED individuales rojo, verde y azul se encienden al conectarlos a tierra.

Diagrama de los ánodos y cátodos del LED RGB 2739 de Adafruit

Figura 3: El LED RGB 2739 de Adafruit tiene un ánodo común con un cátodo separado para los LED rojo, verde y azul. (Fuente de la imagen: Adafruit Industries)

Generación de muchos colores

Si una aplicación solo necesita mostrar uno de los tres estados, entonces la forma más sencilla de usar el LED RGB 2739 es encender un LED por vez, lo que le brinda al usuario una selección de rojo, verde o azul.

Para obtener una mayor variedad de colores, un diseñador puede simplemente combinar dos colores juntos, lo que brinda las siguientes seis opciones de color:

  • Rojo
  • Verde
  • Azul
  • Amarillo (rojo + verde)
  • Cian (verde + azul)
  • Magenta (rojo + azul)

Para una documentación clara del proyecto, los colores que se muestran deben ser distintos, fáciles de reconocer y fáciles de identificar verbalmente. Por ejemplo, un LED verde con corriente completa puede documentarse en una hoja de datos de LED como “verde limón”. Sin embargo, cuando se enciende el LED, la mayoría de los consumidores y desarrolladores identificarían el color como “verde”. Independientemente del nombre real del color, los usuarios deben poder distinguir fácilmente entre los diferentes colores visualmente y por etiqueta. Pocas personas pueden identificar fácilmente la diferencia entre “verde” y “verde limón” y, si ambos colores se presentan uno al lado del otro, pueden identificar al color verde limón como “verde” e identificar al color verde como “verde oscuro”.

Para aplicaciones más complejas, las combinaciones RGB pueden variar en intensidad para generar hasta 16 millones de colores. Un método confiable para hacer esto es mediante la aplicación de una señal modulada por ancho de pulso (PWM) a cada uno de los LED, donde el ciclo de trabajo corresponde a la intensidad. El ojo humano puede identificar parpadeos de 200 hertz (Hz) o más lento, por lo que, para evitar el parpadeo, debe usarse una frecuencia de modulación por ancho de pulsos de 1000 Hz o más rápida.

Los colores pueden seleccionarse fácilmente por su código de color RGB. Esto se basa en el modelo de color aditivo RGB donde la luz roja, verde y azul varían en intensidad de forma individual y se combinan para reproducir casi cualquier color. Este modelo se aplica a la luz y es la base para la reproducción del color en televisores y pantallas. También se utiliza para representar los colores en las páginas web.

La abreviatura de un código de color RGB se representa como (R, G, B) donde R, G y B son los valores decimales para la intensidad de rojo, verde y azul del color que va de 0 a 255. Por ejemplo, el código decimal de color RGB para el azul es (0,0,255), el púrpura es (128,0,128), y el plateado es (192,192,192). Al determinar el ciclo de trabajo de modulación por ancho de pulsos para cada color, estos valores se dividen por 255, por lo que los valores del ciclo de trabajo para el azul serían (0,0,100 %), los del púrpura serían (50 %,0,50 %) y los del plateado serían (75 %,75 %,75 %).

Teóricamente, la luz blanca se representa con (255,255,255) y puede generarse al encender simultáneamente los LED rojo, verde y azul con toda su intensidad. Sin embargo, en la práctica, el color producido usando este método suele ser blanco con un tinte azulado. Este tinte se produce porque los colores LED generados no son una copia exacta para las longitudes de onda precisas de rojo, verde y azul perfectos.

Las señales de modulación por ancho de pulsos requeridas son generadas fácilmente por un microcontrolador. Un buen ejemplo es el ATSAMC21J18A de Microchip Technology (Figura 4). Este es un dispositivo de bajo consumo para las terminales de IoT y forma parte de la familia de microcontroladores SAM C21 de la empresa. Tiene un núcleo Arm® Cortex®-M0 + de 48 MHz y soporta 5 voltios para E/S.

Diagrama del microcontrolador Microchip ATSAMC21J18A

Figura 4: El microcontrolador ATSAMC21J18A tiene unidades de temporizador/contador capaces de generar automáticamente tres señales de modulación por ancho de pulsos síncronas. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Para controlar los LED, el microcontrolador ATSAMC21J18A tiene unidades de temporizador/contador capaces de generar automáticamente tres señales de modulación por ancho de pulsos síncronas. La familia SAM C21 tiene una opción de disparador alto que permite que cuatro clavijas de E/S para cada disipador tengan un máximo de 20 miliamperios (mA).

Cuando se utiliza un LED, es importante seleccionar una resistencia en serie correcta para limitar el flujo de corriente. Una resistencia con un valor demasiado bajo puede destruir el LED, mientras que una resistencia con un valor demasiado alto puede provocar que la luz sea tenue o nula. El valor de la resistencia en serie está determinado por la tensión directa de cada LED y el flujo de corriente deseado.

Los LED son semiconductores controlados de corriente. Además, es importante tener en cuenta que, debido a la física de los materiales, el voltaje de funcionamiento del LED aumenta a medida que disminuye la longitud de onda de la luz emitida. Este es un factor importante para considerar cuando se usan múltiples LED.

Con una corriente de avance de 20 mA para el LED RGB 2739 de Adafruit, los voltajes de avance típicos del LED especificados en las tablas de Adafruit son 2 voltios para rojo y 3.2 voltios para verde y azul.

Si el ánodo común está conectado a 5 voltios, los valores de la resistencia entre los LED y las clavijas de E/S se determinan mediante la ecuación:

Ecuación 1 Ecuación 1

Dónde:

VDD = 5 voltios

VOL = voltaje bajo de salida para el ATSAMC21J18A = 0.1 x VDD = 0.5 voltios

VF = voltaje directo (típico)

I = corriente directa en amperios

R = valor de la resistencia en ohmios (Ω)

La aplicación de esta fórmula para I = 20 mA da como resultado RROJO (VF = 2 voltios) = 125 Ω y RVERDE = RAZUL (VF = 3.2 voltios) = 65 Ω.

Si una resistencia calculada no está disponible como un valor de resistencia estándar, el desarrollador puede elegir el siguiente valor más bajo o el siguiente valor más alto (preferido). Se debe tener cuidado al seleccionar un valor más bajo para no exceder el voltaje directo máximo para ese LED o la capacidad del disipador de corriente máxima del puerto de E/S del ATSAMC21J18A. Si bien el LED puede seguir funcionando si se exceden estos máximos, existe el riesgo de que disminuya la vida útil del LED o de que se degrade o destruya el puerto de E/S. Opcionalmente, la corriente directa se puede disminuir, siempre que la luz tenue aún sea aceptable para la aplicación. Por ejemplo, a una corriente de avance de 15 mA, los voltajes de avance especificados para el LED RGB 2739 de Adafruit disminuyen a 1.9 voltios para rojo y 3.1 voltios para verde y azul. Esto da como resultado valores de resistencia de RROJO = 173.3 Ω, y RVERDE = RAZUL = 93.3 Ω.

Mientras el ATSAMC21J18A controlaría los LED al controlar la conexión a tierra, un LED individual se enciende cuando el puerto de E/S tiene una lógica baja y se apaga cuando la lógica está alta. Por este motivo, los ciclos de trabajo del código de color RGB calculados deben invertirse. Por ejemplo, si un color requiere un ciclo de trabajo del 25 %, la modulación por ancho de pulsos debe generar un ciclo de trabajo del 75 % para que el LED esté encendido el 25 % del período de tiempo. Además, si el LED debe estar apagado durante el encendido, el código de inicio del microcontrolador debe habilitar las tres clavijas a un nivel lógico alto.

El ATSAMC21J18A viene con 256 Kbytes de memoria flash, 32 Kbytes de RAM y una variedad de periféricos analógicos. El microcontrolador también tiene seis módulos de serie de comunicación (SERCOM), cada uno capaz de actuar como una interfaz USART, una interfaz periférica serial (SPI), un esclavo LIN o una interfaz I2C.

LED RGB inteligente

Una forma alternativa de generar múltiples colores con un LED RGB es programarlo. LED inteligente es un término usado para describir este tipo de LED multicolor que viene con una interfaz serial programable. Un buen ejemplo es el BL-HBGR32L-3-TRB-8 de American Bright Optoelectronics, un LED RGB cuadrado de 5 mm que se puede programar para generar cualquier color utilizando una interfaz I2C de 800 kilohercios (kHz) (Figura 5).

Diagrama del BL-HBGR32L-3-TRB-8 de American Bright

Figura 5: El BL-HBGR32L-3-TRB-8 de American Bright es un LED RGB digital cuadrado de seis clavijas de 5 mm con un patillaje de paso de I2C que permite conectar múltiples dispositivos en la misma interfaz I2C. (Fuente de la imagen: American Bright Optoelectronics Corp.)

La comodidad de la interfaz I2C simplifica enormemente el diseño al ahorrar espacio en la placa y simplificar el código del microcontrolador. Uno de los puertos SERCOM en el ATSAMC21J18A se puede configurar como una interfaz serial I2C para interactuar fácilmente con el BL-HBGR32L-3-TRB-8. En relación con el patillaje en la Figura 5, la señal de datos I2C del microcontrolador ATSAMC21J18A está conectada a la señal Data In de la clavija 1, y el reloj I2C a la señal Clock In de la clavija 2.

El color del LED BL-HBGR32L-3-TRB-8 se programa mediante el envío de cuatro bytes que representan la configuración de brillo global y los códigos de color RGB como una palabra de 32 bits. El LED inteligente tiene salida de datos a través de la clavija 6, así como un paso de reloj I2C a través de la clavija 5. Esto permite que varios LED se conecten en cadena juntos para que cada LED pueda mostrar un color diferente.

Conclusión

Al comprender cómo manejarlos, los LED RGB multicolor pueden ahorrar espacio, costos y energía, mientras mejoran la estética y la interfaz de usuario de un sistema final, dispositivo, indicador de estado o sistema de iluminación. Los desarrolladores pueden seleccionar entre los LED RGB estándar que permiten un control completo sobre cada uno de los LED o los LED inteligentes que proporcionan un control programable de los colores. Además, hay muchas opciones de bajo consumo de energía y bajo costo cuando se trata de los microcontroladores que normalmente se utilizan para generar señales de control de modulación por ancho de pulsos.

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Acerca de este autor

Bill Giovino

Bill Giovino es ingeniero electrónico con un BSEE de la universidad de Syracuse y es uno de los pocos profesionales capaz de pasar de ingeniería en diseño a ingeniería de aplicación en campo a marketing tecnológico de forma exitosa.

Durante más de 25 años, Bill ha disfrutado promocionar las nuevas tecnologías a audiencias técnicas y no técnicas por igual en muchas empresas, entre ellas STMicroelectronics, Intel y Maxim Integrated. Mientras trabajó en STMicroelectronics, Bill ayudó a dirigir los primeros éxitos de la empresa en la industria de microcontroladores. En Infineon, Bill estuvo a cargo de que el diseño del primer controlador de la empresa tuviera éxito en la industria automotriz de EE. UU. Como consultor de marketing para CPU Technologies, Bill ha ayudado a muchas empresas a convertir sus productos con bajo rendimiento en casos de éxito.

Bill fue uno de los primeros en adoptar el Internet de las cosas, incluso colocar la primera pila de TCP/IP en un microcontrolador. Bill es un ferviente creyente de "Vender a través de la educación" y de la gran importancia de contar con comunicaciones claras y bien escritas a la hora de promocionar productos en línea. Es moderador del grupo en Linkedin denominado Semiconductor Sales & Marketing (Marketing y ventas de semiconductores) y habla sobre el concepto B2E (empresa-empleado) de manera fluida.

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