Indicatori a LED RGB per sistemi embedded e display

Un circuito elettronico deve spesso segnalare lo stato delle operazioni: un indicatore luminoso è un modo semplice per farlo. Tra le soluzioni di illuminazione, i LED consumano meno energia rispetto alle fonti tradizionali. Possono funzionare a basso consumo, il che rappresenta un vantaggio per i sistemi embedded di strumentazione, dove l'energia della batteria potrebbe essere molto limitata.

Se le operazioni richiedono un sistema di segnalazione di base con i soli colori rosso, giallo e verde, un semplice indicatore RYG potrebbe essere sufficiente. In questi casi, il rosso indicherebbe pericolo o arresto, mentre la luce verde indicherebbe che tutti i sistemi funzionano regolarmente. I sistemi RYG sono una soluzione tradizionale utilizzata nei cruscotti di base e nelle torri di segnalazione industriali.

Gli indicatori a LED rossi, verdi e blu (RGB) svolgono funzioni di visualizzazione illuminandosi di colori diversi a seconda dello stato che devono trasmettere. Gli indicatori a LED RGB offrono una ricca tavolozza di colori e informazioni più ricche di sfumature visive. Un intervallo di temperature su una barra graduata, ad esempio, richiederà diverse tonalità di colori per indicare l'intensità.

Inoltre, un indicatore a LED RGB può svolgere la funzione di due o tre indicatori diversi, essendo modulato per visualizzare il colore desiderato, con conseguente riduzione dello spazio occupato.

Gli indicatori a LED RGB sono utilizzati in una varietà di applicazioni, tra cui schermi di visualizzazione in macchinari robusti, apparecchiature domotiche e sistemi embedded in applicazioni industriali. Ad esempio, gli RGB serie Q10/14/16/19/22 (Figura 1) di APEM offrono opzioni cromatiche praticamente infinite e una durata di 100.000 ore. I LED RGB sono di solito i componenti preferiti per la strumentazione moderna, perché sono in grado di riprodurre un maggior numero di colori e di consumare meno energia.

Figura 1: Gli indicatori a LED RGB serie Q10/14/16/19/22 di APEM sono controllati mediante la modulazione della larghezza di impulso (PWM) per produrre un aspetto multicolore. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Come funzionano i LED RGB

Un driver controlla il display a colori regolando la corrente inviata ai LED. Utilizza 8 bit per rappresentare la quantità di colore desiderata in ciascun canale (R, G o B). Ad esempio, la rappresentazione a 8 bit 00000000 nel canale rosso significa che il rosso deve essere del tutto assente nella composizione finale. Poiché ogni rappresentazione a 8 bit può essere una combinazione di 0 e 1, ogni modulo di colore può avere 2⁸ o 256 valori diversi, da zero a 255.

Ognuno di questi 256 valori rappresenta una variazione molto lieve dell'intensità dei colori rosso, verde e blu. Regolando ciascuno di questi 256 valori negli elementi rosso, verde e blu in diverse combinazioni, i progettisti di circuiti possono ottenere milioni di tonalità, nello specifico 256 x 256 x 256, ossia 16,7 milioni di colori (Figura 2).

Figura 2: Il modello di colore RGB mappato su un cubo. L'asse X orizzontale rappresenta i valori del rosso che aumentano verso sinistra, l'asse Y rappresenta i valori del blu che aumentano in basso a destra e l'asse Z rappresenta i valori del verde che aumentano verso l'alto. Il punto di origine, nero, è il vertice nascosto alla vista. (Immagine per gentile concessione di SharkD, CC BY-SA 4.0; Wikimedia Commons)

I valori RGB per il colore fucsia, ad esempio, avrebbero le seguenti impostazioni per i tre componenti: R: 255, G: 0, B: 255. I valori RGB per il colore chartreuse sarebbero: R: 223, G: 255, B: 0.

Per far sì che l'indicatore a LED RGB visualizzi un colore specifico, è necessario regolare con precisione l'intensità dei componenti rosso, verde e blu, manipolando la corrente fornita a ciascun modulo di colore. Esistono due modi per dimmerare dinamicamente un LED: la riduzione della corrente costante (CCR) e la modulazione della larghezza di impulso (PWM).

Il metodo CCR riduce la quantità di corrente inviata al LED, causando una variazione dell'emissione luminosa. Questo metodo è semplice e presenta alcuni vantaggi. Il metodo PWM, invece, mantiene costante la quantità di corrente, ma anziché inviare continuamente corrente al LED, la invia in rapidi impulsi, accendendo e spegnendo il LED molte volte al secondo. L'intensità luminosa risultante del LED è proporzionale alla frazione di tempo in cui la corrente è attiva, chiamata "ciclo di lavoro".

La PWM è una tecnica particolarmente utile per il controllo degli indicatori a LED RGB, perché consente un controllo granulare della resa cromatica finale. Inoltre, la PWM si presta facilmente al controllo digitale tramite microcontroller, che commutano le uscite tra stati alti e bassi.

Aspetti estetici degli indicatori a LED RGB

Gli indicatori utilizzati nei display e nei pannelli di controllo degli strumenti elettrici e delle interfacce uomo-macchina (HMI) devono integrarsi maggiormente con i dispositivi. I LED tradizionali a due pin richiedono in genere una base robusta per tenerli in posizione e gli indicatori spesso sporgono attraverso i fori praticati nel pannello. Gli indicatori a LED sporgenti potrebbero non essere in linea con l'estetica dell'unità che i progettisti hanno in mente. Inoltre, le sporgenze rischiano di danneggiarsi facilmente.

Per contro, gli indicatori per montaggio a pannello si fissano al pannello stesso, semplificando la progettazione e l'installazione. In questi casi, le mascherine fungono da meccanismo di montaggio e sono esteticamente gradevoli. L'opzione di una mascherina offre un aspetto elegante che evita la sporgenza del LED dal pannello, che lo rende suscettibile di danni.

Anche nell'ambito delle opzioni per le mascherine, gli indicatori a LED RGB possono avere un montaggio a filo della mascherina oppure sporgente. La mascherina a filo si appoggia al pannello, offrendo un look elegante e moderno. La mascherina sporgente o rialzata, invece, presenta una calotta LED che sporge leggermente dalla superficie. Queste lievi sporgenze sono particolarmente utili se il display deve essere visto da diverse angolazioni. Il montaggio rialzato è più facile da identificare in ambienti esterni soleggiati o in ambienti industriali con illuminazione intensa. La scelta della mascherina dipende in ultima analisi dall'applicazione finale. Gli ambienti con illuminazione difficile richiedono indicatori più facilmente visibili, il che rende la versione rialzata un'opzione migliore. Se l'estetica è l'unica preoccupazione dei progettisti, il montaggio a filo è l'opzione migliore.

Oltre alle mascherine, per la meccanica dell'installazione degli indicatori a pannello i progettisti dei circuiti devono determinare le forature del pannello che li ospiterà. Le forature possono essere montate a scatto per un'installazione più rapida, ma richiedono lavorazioni più precise. Per una maggiore sicurezza, è anche possibile utilizzare i dadi per infilare gli indicatori nel pannello, soprattutto in ambienti soggetti a forti vibrazioni. Le dimensioni delle forature dei pannelli possono variare. Gli indicatori a LED RGB serie Q di APEM sono disponibili per forature da 10, 14, 16, 19 e 22 mm e sono dotati di mascherine a filo o sporgenti.

Scelta del giusto indicatore a LED RGB

Date le varie opzioni, ecco alcuni dei criteri utili per abbinare l'indicatore a LED giusto a una determinata applicazione:

• Anodo o catodo comune: nell'anodo comune, i tre componenti rosso, verde e blu condividono un collegamento positivo (anodo), mentre nel catodo comune condividono un collegamento negativo. Sono necessari componenti elettronici diversi affinché il driver LED possa utilizzare contenitori per anodo comune o catodo comune.
• Montaggio a foro passante o superficiale: il tipo di installazione dell'indicatore a LED RGB
• Le dimensioni dell'indicatore e della foratura a pannello: (se si utilizzano opzioni di montaggio superficiale nel pannello)
• La luminosità dell'indicatore a LED e il suo angolo di visione
• Tensione e corrente nominali: devono corrispondere agli intervalli previsti nel circuito per garantire prestazioni affidabili
• Metodi di controllo degli indicatori a LED: questi possono variare dall'utilizzo di canali PWM separati attraverso un microcontroller o di circuiti integrati di pilotaggio, che offrono opzioni di regolazione ancora più granulari.
• Considerazioni ambientali: le vibrazioni, gli urti, la polvere e il calore o il freddo estremi determineranno il tipo di LED adatto per applicazioni specifiche.

La serie Q di indicatori a LED RGB

La serie Q di APEM offre un irradiamento luminoso combinato con un'intensa emissione luminosa RGB e un'illuminazione più brillante rispetto all'opzione RYG. Sono disponibili opzioni da incasso per adattarsi all'estetica dei pannelli. La serie Q è dotata di un'opzione di sigillatura in resina epossidica per evitare l'infiltrazione di acqua, necessaria in applicazioni esterne o in ambienti interni con elevata umidità.

Inoltre, la serie Q offre opzioni standard, iperluminose e superluminose. Mentre la versione standard è adatta a qualsiasi applicazione da interni, la scelta dell'iperluminosità è stata fatta per le applicazioni per esterni, dove gli angoli di visione sono importanti. L'opzione superluminosa è anch'essa un LED visibile alla luce diurna, ma ha un angolo di visione molto più stretto, adatto alle lunghe distanze.

Conclusione

Gli indicatori a LED RGB si adattano bene all'elettronica moderna in quanto forniscono segnali visivi con un consumo energetico minimo. Inoltre, gli indicatori serie APEM_Q10/14/16/19/22 sono ricchi di funzioni e offrono ai clienti un'ampia gamma di opzioni per soddisfare quasi tutte le applicazioni che richiedono un indicatore a pannello.