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Wer es gern bunt treibt: der ultimative RGB-Guide für alle, die nach einer Erleuchtung suchen

Analoge LEDs haben ihren Namen von der Art und Weise, wie sie betrieben werden, nämlich analog über einen Strom- und Spannungswert. In diesem Szenario spricht man immer von RGB-LEDs mit gemeinsamer Anode. Man findet sie meistens in Reihenschaltung, denn wie wir bereits wissen, haben unterschiedliche Farben (RGB) unterschiedliche Schwellspannungen. Der Vorteil an einer Reihenschaltung ist, dass man unterschiedliche Teilwerte der Spannungen je nach Farbe so staffeln kann, dass man die Maximalleistung erreicht und das mit nur einem Widerstand pro Farbe im Stromkreis.

 

Wenn ich diese anlogen LED-Streifen nun an unser Mainboard oder unseren Controller anschließe, so muss ich mir um die erläuterte PWM-Steuerung keine Sorgen machen, denn diese ist bereits auf den Geräten montiert, wobei die Frequenzen natürlich von Hersteller zu Hersteller variieren können. In der Regel sind sie aber so ausgelegt, dass der beste Kompromiss zwischen Hochfrequenter Emission und dem Verhindern von Flackern gefunden wurde. Damit ihr euch die PWM-Regelung und das Verhalten der LEDs dazu besser vorstellen könnt, habe ich euch die Schaltung aufgebaut: http://tinyurl.com/y838j8hy

Ganz oben sehen wir die Betriebsspannungsquelle mit einem Potential von 12 Volt. Darunter sind die LEDs, Drei pro Farbe und in Reihe zur Durchflussrichtung geschaltet. Darunter befinden sich die Widerstände, die gebraucht werden, um den idealen Stromwert einzustellen. Rechnen wir mit einer Versorgungsspannung von 12 V und einer Schwellspannung von 2,2 Volt pro roter LED, so kommen wir auf fünf LEDs mit einer Restspannung von einem Volt. Dieses eine Volt wird vom 120 Ohm Widerstand getilgt.

Sehen wir weiter nach Unten, sehen wir pro Farbe einen N-Kanal MOSFET. Dieser reagiert in diesem Fall wie ein Schalter. Liegt am mittleren Anschluss (Gate) ein positives Potential an, so kann Strom von oben (Drain) nach unten (Source) durch ihn hindurchfließen und die LED leuchtet. Schaltet der PWM-Controller das Potential auf GND, also potentiallos, so wird der MOSFET nichtleitend, die LED geht aus. Der Widerstand parallel zum Gate des MOSFET auf GND ist für die Umladung der Gatekapazität verantwortlich. Würde er fehlen, wäre der MOSFET auch dann leitend, wenn an seinem Gate der Low-Pegel anliegt und die LED würde durchgehend leuchten.

Anhand dieses kleinen Beispiels erkennen wir nun auch, wieso analoge 12V LEDs nicht animierbar sind: Jede Farbe kann nur einzeln an- und abgeschaltet werden und durch die Gruppierung in Reihenschaltung sind komplexe Animationen nicht möglich. Durch die hohe Frequenz, mit der die LEDs den Leuchtzustand wechseln, glaubt die menschliche Wahrnehmung, dass die LEDs gedimmt werden. Würde ich nun die drei Phasen auf einen Kreis abbilden und um 120° in eben diesem versetzen (Phase-Shifting), so würde ich einen klaren, glatten Farbdurchlauf bekommen, also einen Pseudo-Regenbogen. Natürlich spricht nichts dagegen, trotzdem simple, analoge Effekte anzuwenden: Man kann die Farben nacheinander durchschalten, oder die PWM Duty-Cycles so steuern, dass man einen Fade-In und Fade-Out einer Farbe hat.

 

Von der Flexibilität her sind analoge LED-Streifen den digitalen aber unterlegen. Als Vorteil dieser LEDs kann man die „hohe“ Betriebsspannung von 12 V auslegen. Durch die höhere Spannung verbrauche ich im direkten Vergleich mit einem 5 V digitalen, adressierbaren Streifen weniger Strom auf die gleiche Länge des Streifens. Auch sind sie sicherer in der Anwendung, denn wenn ich sie verpolt anschließe kann nichts passieren, denn eine Diode lässt den Strom ja nur in eine Richtung passieren.

Schäden am Mainboard oder Controller, sowie am Mainboard sind also kein großes Risiko. Ihr solltet analoge LED Stripes mit vier Phasen aber niemals unter Spannung abschneiden. Je nach Anzahl der Farbkanäle kann man analoge LEDs also in RGB (12V, G, R, B) und RGBW (12V, G, R, B, W) unterteilen. Zweitere haben den Vorteil, dass in dem LED-Chip Gehäuse noch ein weiterer, dedizierter Emitter mit der Farbe Weiß verbaut ist. Mit diesen ist möglich auch andere Weißtöne als das standardmäßige Kaltweiß darzustellen.

Wenn ich analoge RGB-LEDs identifizieren will, weil ich keine Kenntnis darüber habe, was vor mir liegt, so gibt es ein paar Verfahrensweisen, die man anwenden kann:

  • Einfarbige LED-Stripes haben zwei Kupferpads an der Trennstelle, meistens mit + und – markiert
  • Dreifarbige LED-Stripes (RGB) haben vier Pads an der Trennstelle, deklariert mit: 12V, G, R, B
  • Vierfarbige LED-Stripes (RGBW) weisen fünf Kupferstellen auf: (12V+, G, R, B, W)
  • Als Exoten gelten Fünffarbige RGB-LED Streifen, sie haben zwei zusätzliche, weiße LEDs mit im LED Package: 12V, G, R, B, W, W) Sie können Kaltweiß, wie auch Warmweiß und Neutralweiß darstellen.

Zum Schluss dieses Abschnitts nochmal das Wesentliche wiederholt:

  • Analoge RGB LEDs werden über PWM gesteuert und brauchen dazu einen Controller
  • Man erkennt sie am PLCC 6 SMD 5050 Package
  • Sie weisen Zwei, Vier, Fünf oder Sechs Kupferpads an der Schneidestelle auf
  • Die Betriebsspannung sind meist 12 Volt und sie lassen sich nicht adressieren
  • Im Längenverhältnis gesehen, brauchen sie weniger Strom als digitale Stripes

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About the author

Bernhard Baumgartner

Bernhard ist langjähriger Hardwareentwickler in der Optoelektronik, der gern mal aus dem Nähkästchen spricht und mit seinem Start-Up CrankzWare einen plattform- und herstellerunabhängigen RGB-, Fan- und Pumpencontroller namens RainPOW entwickelt hat und vertreibt.

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