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RGB-LED-Schaltungen



RGB-LEDs sind Dreifach-LEDs: sie enthalten eine rote, eine grüne und eine blaue LED in einem gemeinsamen Gehäuse. Die drei Grundfarben addieren sich: lässt man durch alle drei LEDs gleichzeitig den gleichen Strom flißen, kriegt man weißes Licht heraus.

Durch Mischen der drei Farben kann man also jede beliebigige Farbe erzeugen. Fließt Strom durch die rote und blaue, kriegt man violett als Mischfarbe. Oder genauer: Magenta, denn es gibt dutzende Varianten von violett.

RGB-LED Schaltungsvarianten Von den RGB-LEDs gibt es zwei verschiedene Bauformen: entweder sind die drei Einzeldioden an den Kathoden oder an den Anoden zusammengeschaltet. Auf jeden Fall hat die RGB-LED aber vier Anschlüsse nach außen. Der längste Pin ist die gemeinsame Kathode oder Anode, der Einzelpin links daneben die rote, rechts daneben die grüne und ganz rechts die blaue LED.

Wie üblich bei LEDs im 5 mm-Gehäuse vertragen diese einen Strom von bis zu 20 mA. Sollen alle drei Dioden voll ausgesteuert werden, braucht es das drei Mal. Damit wären wir bei einem zentralen Nachteil von RGB-Dioden: ihrem ziemlich hohen Strombedarf. Da man die RGBs auch nicht stapeln kann wie andere Leuchtdioden, braucht halt jede LED ihre maximal 60 mA.

Spannungen von RGB-LEDs

Spannmungskennlinie von RGB-LEDs So sehen die Strom-Spannungskurven der drei Leuchtdioden aus. Die rote LED braucht die geringste Spannung (ca. 1,9 V), die blaue und die grüne deutlich mehr (ca. 2,7 V). Die angegebenen Steilheiten gelten im Bereich um 20 mA (I in mA).

RGB-LEDs arbeiten folglich erst ab drei Volt. Rechnet man die Sättigungsspannung eines Treibers (Transistor: 0,2 V, CMOS-Prozessor-Ausgang 0,4 V) hinzu, reichen auch 3,3 V Betriebsspannung nicht mehr aus. Zwei AA oder AAA-Batterien sind um ein weiteres Exemplar zu ergänzen. Li-Zellen mit 3,7 V gehen ohne Weiteres.

Ansteuern von RGB-LEDs

Wer nur sein Zimmer mit einer ganz bestimmten Lieblingsfarbe beleuchten will, kommt mit drei Potis zur Stromregelung hin: er kann den Rot-, Grün- und Blau-Anteil seiner Lieblingsfarbe per Stromkomposition zusammenstellen und ist glücklich.

PWM-Signal der Farbe goldenrod1 Für alle anderen Anwendungen sind Potis eher ungeeignet. Um die Farbmöglichkeiten der RGB-LED voll auszunutzen werden sie in Pulsweitenmodulation angesteuert. Bei der Pulsweitenansteuerung werden zu Beginn einer Periode alle LEDs voll eingeschaltet, die an der Farbgebung beteiligt sein sollen. Je nach Farbanteil werden dann die LEDs zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgeschaltet. Soll der Farbanteil der Farbe rot sehr hoch sein, bleibt die rote LED dauernd an. Die grüne LED wird in Periode 193 von 256 abgeschaltet. Die blaue LED ist nur kurz an und wird schon in Periode 37 von 256 abgeschaltet.

Durchläuft man dieses Schema sehr schnell, z. B. 100 mal in der Sekunde, dann sieht man das Schalten nicht mehr. Die mit unterschiedlicher Dauer beteiligten drei Einzelfarben mischen sich entsprechend ihrer Einschaltdauer im Sehorgan zu der Farbe, in diesem Fall zur Farbe namens goldenrod1, einer Abart von gold. Wer alle Farbschattierungen sehen möchte, geht hierhin.

Aber Obacht: das 100-Hz-Geschalte ist zwar für das menschliche Auge nicht zu sehen, aber für Videokameras schon. Die flimmern dann wie Hund.

Warum nun gerade 256? Nun, weil das mit einem 8-Bit-Zähler noch zählen geht. Der Zähler wird mit 256 * 100 = 25.600 Hz getaktet und drei 8-Bit-Vergleicher stellen Ein- und Ausschaltzeitpunkte für rot, grün und blau fest. Mit einer einzigen LED lassen sich so 256 * 256 * 256 = 16.777.216 Farben darstellen.

Eigenbau

Wer jetzt einen Bauplan für ein CMOS-Grab erwartet, hat sich geschnitten. Ich habe keinen Bock darauf, drei binäre 8-Bit-Stufenschalter mit zwei 4-Bit-Binärzählern und sechs 4-Bit-Vergleichern sowie drei Flipflops zu verdrahten, nur um eine einzige LED in 16 Millionen Farben leuchten zu lassen. Der Herr macht so was mit einem Mikrocontroller, das spart viel Draht und ganz viel Ärger.

Hier ein Video von fünf LEDs, die nacheinander blau, grün und rot anzeigen.



Link zum Download des Videos.

©2019 by Gerhard Schmidt