In diesem Artikel soll es primär nicht darum gehen herauszufinden, welcher Hersteller nun das bestealler RGB-LED-Systems anbietet, denn das kann man weder so einfach und pauschal sagen, noch endgültig beantworten, weil sich die Enmtwicklung eh im stetigen Fluss befindet. Wir wollen stattdessen leiber einmal einen intensiven und tiefergehenden Blick auf die LED-Technologien werfen, die unsere PCs zum Leuchten bringen. Die Motivation hinter diesem Artikel ist es, euch dabei zu helfen, den RGB-Dschungel zu durchblicken und mit Irrtumern oder sogar Unwahrheiten aufzuräumen. Aufgrund vieler verschiedener, oft inkompatibler Anschlüsse und Ansteuerungen erreichten mich in der Vergangenheit bereits unendlich viele Fragen zu quasi immer derselben Thematik. In diesem Guide räumen wir deshalb einfach einmal mit gängigen Gerüchten und Fehlern auf und behandeln die Optoelektronik lieber wissenschaftlich, also faktisch und elektrotechnisch korrekt.
Ach so, ehe ich es vergesse: mein Name ist Bernhard Baumgartner und ich bin ein Freund von Igor. Er bat mich unter der Berücksichtigung meiner Expertise als langjähriger Hardwareentwickler in Optoelektronik, hier mal aus dem Nähkästchen zu sprechen. Manche von euch kennen mich vielleicht auch unter dem Namen meines Start-Ups: CrankzWare. Ich entwickle schon seit längerem nämlich einen plattform- und herstellerunabhängigen RGB, Fan- und Pumpencontroller namens RainPOW. Entsprechendes Interesse vorausgesetzt, können wir solche Ausflüge in die Technik sicher auch gern wiederholen. Darüber hinaus bin ich natürlich auch im Forum demnächst für alle RGB-Geplagten ein geduldiger Ansprechpartner.
Grundsätzliches über LEDs
Die Abkürzung LED steht für „Light emitting Diode“ also in unserer Sprache: Leuchtdiode. Zerlegen wir diesen Begriff, so bekommen wir Licht, Ausstrahlen und Diode. Weil jeder weiß, was die ersten zwei Wörter bedeuten, widmen wir uns dem Dritten: Diode. Eine Diode ist ein aktives Bauelement, welches für eine Vielzahl von Anwendungen in Alltagselektronik verbaut wird. Die Wesentliche Eigenschaft einer Diode ist die Begrenzung des Stromflusses in eine Richtung. Sie besitzt also, je nachdem wo positives und negatives Potential anliegt, eine Durchflussrichtung und eine Sperrrichtung. Man könnte sie analog mit einem Rückschlagventil vergleichen. Die Diode ist dazu fähig, weil sie aus drei Bereichen besteht: Die p-dotierte Schicht, die n-dotierte Schicht und die Sperrschicht (Verarmungszone) in der Mitte von beiden.
Die Leuchtdiode ist also eine Unterart einer Diode, denn auch sie lässt den Strom nur in eine Richtung passieren. Wird eine LED mit Strom durchflossen, so geschieht das über den sogenannten Bonding-Draht, der wiederum mit einem Chip (Halbleiterkristall) verbunden ist. Dieser ist mit verschiedenen Elementen dotiert, welche die Leuchtfarbe der LED diktieren. Fließt Strom durch diesen Halbleiter, so wird elektrische Energie in Photonen umgewandelt (Elektrolumineszenz). Der beispielhafte Querschnitt durch eine SMD-LED zeigt die Funktionsweise gut.
Je nach Farbe und dotiertem Element verfügt eine LED über eine Schwellspannung, die von der Versorgungsspannung subtrahiert wird. Erst wenn diese überstiegen wird, kann Strom durch die LED fließen und sie beginnt zu Leuchten. Schauen wir uns einige typische Dotierungselemente und die damit verbundenen Spannungsabfälle an:
Definitionen: AlInGaP = Aluminium-IndiumGalliumarsenid, InGaN = Indium-Galliumnitrid
Die Wellenlänge gibt die Farbe an, die das menschliche Auge wahrnimmt, natürlich liegt des auch im subjektiven Bereich des Betrachters, getreu dem Motto: „Dein Rot ist nicht mein Rot“. Der Strahlungswinkel gibt an, welchen Bereich die LED mit Lot-Sicht auf die X-Achse der LED auszuleuchten vermag. Je nach geometrischer Bauform können die Winkelmaße abweichen. Intensität in Milli-Candela ist eine gerundete Annäherung an die Lichtstärke. Der Lichtstrom wird in Lumen berechnet und zeigt auf, wie viel wahrnehmbares Licht für ein Auge über eine Zeiteinheit abgegeben wird.
Die Flussspannung, oder auch Schwellspannung gibt an, welche Farbe letztendlich typischerweise vom Halbleiterkristall ausgestrahlt wird, sobald diese erreicht wird. Bei einer RGB-LED finden wir also drei Emitter unterschiedlicher Farben in einer LED, bei RGBW sind es natürlich vier. Ein wichtiger Betriebsparameter für eine LED ist also folglich die Flussspannung, sowie der Lichtstrom. LEDs werden in der Helligkeit idealerweise über den Strom gesteuert, nicht etwa über die elektrische Spannung. Dies hat den Hintergrund, dass der Halbleiterkristall bei einer Spannungssteuerung seine Leuchtfarbe (Wellenlänge) verändern würde. In der Realität lassen sich, vor allem im PC-Bereich, LEDs aber auch durch eine PWM (Pulsweitenmodulierte) Spannung steuern, zu der ich gleich noch komme.
In fast 100% der Fälle finden wir analoge RGB-LEDs in einem Package (Chipbauform) namens PLCC 6 SMD 5050, das wie folgt aussieht und folgende Beschaltung hat:
PWM, die pulsweitenmodulierte Steuerung
Die üulsweitenmodulierte Steuerung ist eine digitale Technik zur Spannungseinstellung. Sie kennt, weil sie binär ist, nur zwei Zustände: An und Aus. VCC gibt dabei den High-Pegel an, bei uns als 5 Volt oder 12 Volt und GND den Low-Pegel, welcher auf dem gleichen Potential wie die Erdung (Ground) liegt. Die Pulsweitenmodulierte Steuerung schaltet innerhalb eines festen Zeitfensters die Spannung für einen Prozentsatz des Zeitfensters ein und wieder aus. Eine kurze Rechnung verdeutlicht dies: Haben wir ein VCC (positives Potential) von 12 V und schalten den Duty-Cycle (Tastverhältnis) der PWM-Steuerung auf 50%, so erhalten wir eine Durchschnittsspannung von 6 V.
Ein wichtiges Merkmal zur PWM-Steuerung ist die Frequenz. Liegt diese bei einer Sekunde also 1 Hertz, so würden wir mit dem Multimeter beobachten können, dass die Spannung für 500ms auf 0 V liegt und für 500ms auf 12 V. Damit die LEDs beim Dimmen in der Helligkeit nicht flackern, müssen wir Frequenzen von mehreren Kilohertz fahren, damit unser Sehorgan die einzelnen Phasen von „an“ und „aus“ nicht einzeln, sondern als Dimmung wahrnimmt. Legten wir ein Multimeter mit einer Frequenz von mehreren Kilohertz an einer Spannung an, so würde sich ein durchschnittlicher Spannungswert zeigen, da die Abfolge schlichtweg zu schnell ist.
Genau das möchte man bei PWM-Steuerungen aber erreichen. Sie soll möglichst schnell sein, dabei aber wenig hochfrequente Emissionen erzeugen (elektromagnetische Verträglichkeit). Eine solch rasend schnelle Pegeländerung könnte man dann, ähnlich einem Datensignal nur noch mit dem Oszilloskop darstellen. Eine Pulsweitenmodulierte Steuerung kann entweder digital über einen Microcontroller generiert werden, oder mit elektronischen Bauteilen diskret aufgebaut werden.
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