如何让LED绽放万种色彩的原理与结构

“发光二极管 （LED） 是一种简单经济的状态信息显示方法。但是，对于某些项目而言，一个单色LED可能不够。而由于空间、成本或功耗限制，多个LED又可能不太现实。针对这些情况，多色LED提供了一种有效的解决方案，前提是这种LED能与微控制器正确连接。

”作者：Bill Giovino

发光二极管 （LED） 是一种简单经济的状态信息显示方法。但是，对于某些项目而言，一个单色LED可能不够。而由于空间、成本或功耗限制，多个LED又可能不太现实。针对这些情况，多色LED提供了一种有效的解决方案，前提是这种LED能与微控制器正确连接。

本文将首先阐述LED的基础知识，然后讨论多色LED的优势，之后介绍哪些是合适的多色LED解决方案，最后说明如何将LED连接到微控制器，以产生多达1600万种不同的颜色。

LED的结构与原理

在设计带LED的电路时，务必记住这些器件不是白炽灯泡，而是恰好能发光的半导体器件（二极管）。作为二极管，它们通常只允许电流主要流向一个方向（二极管并不理想，因此在反向偏置时会产生少量电流）。

普通LED的发光部分是位于组件中心的简单半导体二极管，由单个p-n结构成（图1）。电流从连接到P型硅的LED阳极流向连接到N型硅的LED阴极。在普通二极管中，p-n结通常是锗 （Ge） 或硅 （Si）。然而，对于LED而言，这个结通常是透明的磷砷化镓 （GaAsP） 或磷化镓 （GaP） 半导体材料。

图1：LED组件含有半导体p-n结芯片，可使电流从阳极流到阴极。带透镜的透明外壳可以让用户轻松看到产生的发射光。（图片来源：维基百科）

利用透明的GaAsP或GaP，施加在p-n结上的正向电压会从半导体释放出光子。p-n结安装在反射镜腔上，而该镜腔可将光子聚集到LED透镜。LED的透镜和本体由透明环氧树脂组成，而树脂可选择性地进行着色，以匹配发射光的颜色。

反射镜腔位于称为铁砧的引线框上，阴极通过接合线连接到称为极柱的引线框上。铁砧和极柱的形状可使它们与LED环氧树脂本体形成牢固连接，从而无法将阳极或阴极引脚从LED环氧树脂本体上拉出，造成LED损坏。

单色LED

LED有多种颜色可供选择，包括红色、绿色、黄色、琥珀色、青色、橙色、粉色、紫色以及最近出现的白色和蓝色。单色LED配备的半导体芯片由可产生所需光线波长的材料组成，并且LED环氧树脂壳体组件通常具有相同的颜色。虽然不需要使透镜具有与发射光相同的颜色，但重要的是，要容易识别LED元件的颜色，防止与其他LED混淆。

多色LED

对于某些空间、成本和功耗受限的系统而言，最好使用一个能发出多种颜色的LED。通常情况下，这种多色LED在一个透明环氧树脂外壳内部配备三个LED，分别是红色、绿色和蓝色 （RGB）。Adafruit Industries的2739 RGB LED就是一个很好的例子（图2）。该LED专为多色指示灯而设计，配有一个宽2.5mm、高5 mm的矩形透镜发光表面，以及四根可在PC板上进行通孔安装的径向引线。

图2：Adafruit的2739 RGB LED采用宽2.5mm、高5mm的透明环氧树脂矩形透镜，并带有四根径向引线，用于在PC板上进行通孔安装。（图片来源：Adafruit Industries）

通常情况下，三个内部LED中的任何一个均可以单独使用，也可与其他LED结合使用，以产生不同的颜色。

多色RGB LED通常有三种引脚布局：

1）所有LED共用一个阳极，每个LED有一个阴极，总共四个引脚

2）所有LED共用一个阴极，每个LED有一个阳极，总共四个引脚

3）每个阳极和阴极都分配引脚，总共六个引脚

使用多色LED进行设计

Adafruit的2739 RGB LED具有一个共阳极，红色、绿色和蓝色LED的每个阴极都分配引脚，总共四个引脚（图 3）。共阳极连接到正极电源，而每个红色、绿色和蓝色LED通过接地来接通。

图3：Adafruit的2739 RGB LED具有一个共阳极，而红色、绿色和蓝色LED分别配有一个单独的阴极。（图片来源：Adafruit Industries）

如何生成多种颜色

如果某种应用只需要显示三种状态中的一种，那么使用2739 RGB LED的最简单方法是一次打开一个LED，用户可以选择红色、绿色或蓝色中的一种。

对于多种颜色，设计人员可以简单地将两种颜色组合在一起，提供以下六种颜色选项：

•红色

•绿色

•蓝色

•黄色（红色 + 绿色）

•青色（绿色 + 蓝色）

•洋红色（红色 + 蓝色）

为了编制清晰的项目文档，显示的颜色应该清晰易辨，并且易于口头确认。例如，具有全电流的绿色LED可以在LED规格书中记录为“绿黄色”。然而，当LED亮起时，大多数消费者和开发人员在被问及时，都会将颜色识别为“绿色”。无论颜色的实际名称如何，用户都应该能够通过视觉和标签轻松区分出不同的颜色。很少有人能够轻易地识别出“绿色”和“绿黄色”之间的区别，如果这两种颜色并排呈现，则可能将绿黄色识别为“绿色”，将绿色识别为“深绿色”。

对于更复杂的应用，可以按不同的强度组合RGB，从而产生多达1600万种颜色。实现这一目的的可靠方法是：将脉冲宽度调制 （PWM） 信号应用于每个LED，其中占空比与强度相对应。人眼可以识别出200赫兹 （Hz） 或更慢的闪烁频率，因此，为了避免闪烁，应使用1000Hz或更快的PWM频率。

颜色可通过RGB色码轻松选择。这基于RGB加色模型，其中红光、绿光和蓝光在强度上各不相同，组合在一起几乎可以重新生成任何颜色。该模型适用于光线，是电视和显示屏中色彩再现的依据，还可用于呈现网页上的颜色。

RGB色码的简写用 （R，G，B） 表示，其中R、G和B是红色、绿色和蓝色强度的十进制值，范围介于0到255之间。例如，蓝色的十进制RGB色码为 （0，0，255），紫色为 （128，0，128），银色为 （192，192，192）。在确定每种颜色的PWM占空比时，需将这些值除以255，因此蓝色的占空比为 （0，0，100%），紫色的占空比为 （50%，0，50%），银色的占空比为 （75%，75%，75%）。

从理论上讲，白光由 （255，255，255） 表示，并且可通过同时打开全强度的红色、绿色和蓝色LED来生成。然而，在实践中，通过该方法产生的颜色通常是带有偏蓝色调的白色。出现这种色调是因为，生成的LED颜色与理想的红色、绿色和蓝色的精确波长不完全匹配。

微控制器很容易生成所需的PWM信号。Microchip Technology的ATSAMC21J18A就是一个合适的例子（图4）。该微控制器是一款用于物联网端点的低功耗器件，是该公司SAM C21微控制器系列产品之一。它配有48MHz Arm® Cortex®-M0+内核，支持5伏I/O电压。

图4：ATSAMC21J18A微控制器具有定时器/计数器单元，能够自动生成三个同步PWM信号。（图片来源：Microchip Technology）

为了驱动LED，ATSAMC21J18A配有定时器/计数器单元，能够自动生成三个同步PWM信号。SAM C21系列产品配有高电流阱选件，可使连接各电流阱的四个I/O引脚的最大电流为20毫安 （mA）。

使用LED时，选择正确的串联电阻器来限制电流非常重要。电阻值太小的电阻器会破坏LED，而电阻值过高的电阻器会导致光线昏暗或无光。串联电阻器的值由每个LED的正向电压和所需的电流决定。

LED是电流控制的半导体。此外，值得注意的是，由于材料的物理特性，LED的工作电压会随着发射光波长的减小而增加，这是使用多个LED时要考虑的重要因素。

当Adafruit的2739 RGB LED正向电流为20 mA时，Adafruit 图表中规定的LED典型正向电压为2伏（红色）和3.2伏（绿和蓝色）。

如果共阳极连接到5伏电压，那么LED和I/O引脚之间的电阻值由以下等式确定：

其中：

VDD = 5伏

VOL = ATSAMC21J18A 的输出低压 = 0.1 x VDD = 0.5伏

VF = 正向电压（典型值）

I = 正向电流，单位：安培

R = 电阻值，单位：欧姆 （Ω）

在I = 20mA的情况下使用该公式，结果是：RRED （VF = 2 V） = 125Ω，RGREEN = RBLUE （VF = 3.2V） = 65Ω。

如果计算出的电阻不能作为标准电阻值，开发人员可以选择下一个较低值，或者下一个较高值（首选）。如果选择较低值，则必须注意，不得超过该LED的最大正向电压或ATSAMC21J18A I/O端口的最大电流灌入能力。虽然在超过这些最大值时LED仍然可以工作，但可能会降低LED的使用寿命，也可能随着时间的推移，降低I/O端口的性能或损坏该端口。或者，如果应用仍能接受较暗光线，则可以降低正向电流。例如，当正向电流为15mA时，Adafruit的2739 RGB LED指定正向电压会降至1.9伏（红色）和3.1伏（绿色和蓝色），这样会导致电阻值RRED = 173.3Ω，RGREEN = RBLUE = 93.3Ω。

由于ATSAMC21J18A可通过控制接地连接来控制LED，当I/O端口为逻辑低电平时，单个LED亮起；当I/O端口为逻辑高电平时，单个LED熄灭。因此，必须倒置计算出的RGB色码占空比。例如，如果颜色需要25%的占空比，则PWM必须能产生75%的占空比，才能使LED在25%的周期时间内工作。此外，如果LED必须在上电时熄灭，则微控制器启动代码必须能使三个引脚处于逻辑高电平。

ATSAMC21J18A配备256Kb闪存、32Kb RAM和各种模拟外设。该微控制器还配有六个串行通信模块 （SERCOM），每个模块都可以作为USART、SPI、LIN从器件或I2C接口

智能RGB LED设计

使用RGB LED生成多种颜色的另一种方法是对其进行编程。智能LED是一个术语，用来描述这种带有可编程串行接口的多色LED。American Bright Optoelectronics的BL-HBGR32L-3-TRB-8就是一个很好的例子。它是一款5mm方形RGB LED，可以使用800千赫 （kHz） I2C接口进行编程，从而产生任何颜色（图5）。

图5： American Bright的BL-HBGR32L-3-TRB-8是一款尺寸为5mm的方形六引脚数字RGB LED，配有I2C直通引脚布局，可使多个器件以菊花链方式连接在同一I2C接口上。（图片来源： American Bright Optoelectronics Corp.）

I2C接口不仅可以节省板空间，而且可以简化微控制器代码，这种便利性极大简化了设计。ATSAMC21J18A上的一个SERCOM端口可配置为I2C串行接口，以便轻松连接到BL-HBGR32L-3-TRB-8。参考图5中的引脚布局，来自ATSAMC21J18A微控制器的I2C数据信号连接到引脚1数据输入信号，I2C时钟连接到引脚2时钟输入。

在对BL-HBGR32L-3-TRB-8 LED的颜色进行编程时，需要发送四个代表全局亮度设置和RGB色码的字节，作为一个32位字。这款智能LED在引脚6上配有数据输出直通，在引脚5上配有I2C时钟直通，这样可使多个LED能够以菊花链方式连接在一起，以便每个LED可以显示不同的颜色。

总结

了解多色RGB LED的驱动方式之后，不仅可以节省空间、成本和功耗，还可以增强终端系统、设备、状态指示灯或照明系统的美观性及用户界面。开发人员既可以选择能对每个LED进行完全控制的标准RGB LED，也可以选择能对颜色进行编程控制的智能LED。此外，当涉及到通常用于产生PWM控制信号的微控制器时，目前有许多低功耗、低成本选项可供选择。
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