다색 LED 구동 방법

발광 다이오드(LED)는 상태 정보를 제공하는 쉽고 비용 효율적인 방법입니다. 하지만 일부 프로젝트에서는 하나의 단색 LED로 충분하지 않거나 공간, 비용 또는 전력 제약 조건 때문에 여러 LED를 사용하기가 어려울 수 있습니다. 이러한 상황을 위해 다색 LED는 마이크로 컨트롤러에 적절하게 인터페이스되어 효율적인 솔루션을 제공합니다.

이 기사에서는 LED의 기본 사항을 소개하고 다색 LED의 장점을 설명한 다음 적절한 다색 LED 솔루션을 소개합니다. 마지막으로 LED를 마이크로 컨트롤러에 연결하여 최대 1600만 가지 색상을 만드는 방법을 보여 줍니다.

LED를 다이오드로 취급

LED로 회로를 설계할 때는 이 장치가 백열 전등이 아니라 빛을 내는 반도체 장치, 즉 다이오드라는 점을 기억해야 합니다. LED는 다이오드이기 때문에 일반적으로 대부분 한 방향으로의 전류 흐름만 허용합니다(다이오드는 이상적이지 않기 때문에 역방향 바이어스 시 소량의 전류 흐름이 발생함).

일반적인 LED의 발광부는 단일 p-n 접합으로 구성된 조립품 중앙에 있는 단순한 반도체 다이오드입니다(그림 1). 전류는 p형 실리콘에 연결된 LED 양극에서 n형 실리콘에 연결된 LED 음극으로 흐릅니다. 일반적인 다이오드에서 p-n 접합은 일반적으로 게르마늄(Ge) 또는 실리콘(Si)입니다. 하지만 LED의 경우 접합은 일반적으로 투명 GaAsP(합성 갈륨 비소) 또는 GaP(인화 갈륨) 반도체 소재입니다.

그림 1: LED 조립품에는 양극에서 음극으로의 전류 흐름이 가능한 반도체 p-n 접합 다이가 포함됩니다. 렌즈가 포함된 투명 하우징을 통해 사용자가 빛을 쉽게 볼 수 있습니다. (이미지 출처: Wikipedia)

투명 GaAsP 또는 GaP를 통해 p-n 접합으로 적용된 순방향 전압이 반도체로부터 광자를 배출합니다. p-n 접합은 광자를 LED의 렌즈로 모으는 반사 틀에 실장됩니다. LED 본체와 렌즈는 발광하는 빛의 색상에 맞게 색상을 적용할 수 있는 투명 에폭시로 구성됩니다.

반사 틀은 모루라고 하는 리드 프레임에 위치하며, 음극은 접속 전선을 통해 포스트라고 하는 리드 프레임에 연결됩니다. 모루와 포스트는 음극이나 양극 핀이 LED 에폭시 본체에서 뽑혀 LED가 파손되지 않도록 LED 에폭시 본체에 단단하게 연결되는 형태로 제작됩니다.

단색 LED

LED에는 빨간색, 녹색, 노란색, 호박색, 시안색, 주황색, 분홍색, 자주색과 최근에 나온 흰색과 파란색까지 다양한 색상이 있습니다. 단색 LED는 원하는 빛의 파장을 생성하는 소재로 제조된 반도체 다이와 경우에 따라 동일한 색상의 LED 에폭시 하우징 조립품으로 구성됩니다. 렌즈의 색상이 발광하는 빛과 같을 필요는 없지만 다른 LED와의 혼동을 피하기 위해 LED 부품의 색상을 쉽게 식별할 수 있어야 합니다.

다색 LED

공간, 비용 및 전력이 제한된 일부 시스템에서는 여러 색상을 투과하는 하나의 LED를 사용하는 것이 유리합니다. 일반적으로 이러한 다색 LED는 하나의 투명한 에폭시 하우징 내부에 빨간색, 녹색, 파란색(RGB)의 3개 LED를 가지고 있습니다. 한 가지 좋은 예로 Adafruit Industries의 2739 RGB LED를 들 수 있습니다(그림 2). 다색 표시등으로 설계된 이 제품에는 너비 2.5mm, 높이 5mm 크기의 직사각형 렌즈 발광면이 있으며 PC 기판 스루홀 설치를 위한 원심 리드 4개가 제공됩니다.

그림 2: Adafruit의 2739 RGB LED는 너비 2.5mm, 높이 5mm의 투명 에폭시 직사각형 렌즈를 사용합니다. PC 기판 스루홀 설치를 위한 원심 리드 4개가 포함됩니다. (이미지 출처: Adafruit Industries)

일반적으로 내부 LED 3개가 개별적으로 또는 다른 색상과 함께 사용되어 여러 색상을 만듭니다.

다색 RGB LED는 일반적으로 다음 3가지 핀아웃으로 제공됩니다.

1. 모든 LED에 대해 공통 양극 1개(각 개별 음극에 총 4개 핀 사용 가능)
2. 모든 LED에 대해 공통 음극 1개(각 개별 양극에 총 4개 핀 사용 가능)
3. 각 양극과 음극이 총 6개 핀에 대해 개별적으로 핀아웃됨

다색 LED를 사용한 설계

Adafruit의 2739 RGB LED에는 빨간색, 녹색, 파란색 LED의 각 음극이 총 4개 핀에 대해 개별적으로 핀아웃된 공통 양극이 있습니다(그림 3). 공통 양극은 양극 전원 공급 장치에 연결되며 각 빨간색, 녹색 및 파란색 LED는 접지에 연결되어 스위칭됩니다.

그림 3: Adafruit의 2739 RGB LED에는 빨간색, 녹색, 파란색 LED용 개별 음극이 있는 공통 양극이 있습니다. (이미지 출처: Adafruit Industries)

여러 색상 생성

응용 제품이 3가지 상태 중 하나만 표시하면 되는 경우, 2739 RGB LED를 사용한 가장 간단한 방법은 한 번에 하나의 LED만 켜고 사용자에게 빨간색, 녹색 또는 파란색을 선택하도록 하는 것입니다.

더 다양한 색상을 위해 설계자는 두 가지 색상을 함께 조합할 수 있으며 이 경우 다음 6가지 색상 옵션이 제공됩니다.

• 빨간색
• 녹색
• 파란색
• 노란색(빨간색 + 녹색)
• 시안색(녹색 + 파란색)
• 자홍색(빨간색 + 파란색)

명확한 프로젝트 설명서의 경우, 표시되는 색상은 구분이 쉽고 구두로 식별하기 간편해야 합니다. 예를 들어, 최대 전류의 녹색 LED는 LED 규격서에 “라임색”으로 기록될 수 있습니다. 하지만 LED가 켜졌을 때 고객 및 개발자에게 물어보면 대부분 이 색상을 "녹색"으로 식별합니다. 색상의 실제 이름과 상관없이 사용자는 여러 색상을 시각적으로, 레이블별로 쉽게 구분할 수 있어야 합니다. “녹색”과 "라임색"의 차이를 금방 구분하는 사람은 많지 않으며 두 색상을 나란히 표시할 경우 라임색을 "녹색"으로, 녹색을 "진한 녹색"으로 식별하는 경우가 많습니다.

더 복잡한 응용 제품의 경우 RGB 조합의 강도를 변경하면서 최대 1600만 가지 색상을 생성할 수 있습니다. 색상을 생성하는 안정적인 방법은 각 LED에 펄스 폭 변조(PWM) 신호를 적용하는 것입니다. 여기에서는 듀티 사이클은 강도에 해당합니다. 인간의 눈은 200Hz 이하의 깜박임을 식별할 수 있으므로 깜박임을 피하려면 1000Hz 이상의 PWM 주파수를 사용해야 합니다.

색상은 RGB 색상 코드를 사용하여 손쉽게 선택할 수 있습니다. 이는 빨간색, 녹색 및 파란색 빛의 강도를 개별적으로 변경하고 조합하여 거의 모든 색상을 만드는 RGB 추가 색상 모델을 기반으로 합니다. 이 모델은 빛에 적용되며 텔레비전 및 디스플레이의 색상 재현에 사용되는 기본 원리입니다. 웹 페이지에 색상을 표시하는 데도 사용됩니다.

RGB 색상 코드의 단축 표기는 (R,G,B)로 표현되며 여기서 R, G, B는 0부터 255 사이의 범위로 빨간색, 녹색 및 파란색의 농도를 표현하는 10진수 값입니다. 예를 들어, 파란색의 10진수 RGB 색상 코드는 (0,0,255)이며 자주색은 (128,0,128), 은색은 (192,192,192)입니다. 각 색상의 PWM 듀티 사이클을 결정할 때는 이러한 값을 255로 나누므로 파란색의 듀티 사이클 값은 (0,0,100%), 자주색은 (50%,0,50%), 은색은 (75%,75%,75%)입니다.

이론적으로는 흰색 빛은 (255,255,255)로 표현되며 빨간색, 녹색 및 파란색 LED를 최대 강도로 동시에 켜서 생성할 수 있습니다. 하지만 이 방법으로 생성된 실제 색상은 일반적으로 푸른 색조를 가진 흰색입니다. 생성된 LED 색상이 완벽한 빨간색, 녹색 및 파란색의 정밀한 파장에 정확하게 일치하지 않기 때문에 이러한 색조 현상이 발생합니다.

필요한 PWM 신호는 마이크로 컨트롤러로 손쉽게 생성할 수 있습니다. 이에 대한 적절한 예로 Microchip Technology의 ATSAMC21J18A를 들 수 있습니다(그림 4). 이 장치는 IoT 엔드포인트의 저전력 소자이며 이 회사의 SAM C21 마이크로 컨트롤러 제품군에 속합니다. 또한 48MHz Arm® Cortex®-M0+ 코어가 장착되어 있으며 I/O에 대해 5V를 지원합니다.

그림 4: ATSAMC21J18A 마이크로 컨트롤러에는 동기식 PWM 신호 3개를 자동 생성할 수 있는 타이머/카운터 장치가 있습니다. (이미지 출처: Microchip Technology)

LED를 구동하기 위해 ATSAMC21J18A에는 동기식 PWM 신호 3개를 자동 생성할 수 있는 타이머/카운터 장치가 있습니다. SAM C21 제품군에는 I/O 핀 4개가 각각 최대 20mA를 싱크할 수 있는 고싱크 옵션이 있습니다.

LED를 사용할 때는 전류 흐름을 제한하기 위한 적절한 계열 저항기를 선택하는 것이 중요합니다. 저항기의 값이 너무 낮으면 LED가 파손될 수 있고 저항기의 값이 너무 높으면 빛이 어둡거나 발광하지 않을 수 있습니다. 계열 저항기 값은 각 LED의 순방향 전압 및 원하는 전류 흐름으로 결정됩니다.

LED는 전류 제어 반도체입니다. 또한 소재의 물리적 특성 때문에 방출되는 빛의 파장이 감소하면 LED의 작동 전압이 증가합니다. 이는 다중 LED를 사용할 때 고려해야 할 중요한 요소입니다.

Adafruit의 2739 RGB LED에서 순방향 전류가 20mA일 때 Adafruit의 차트에 지정된 통상 LED 순방향 전류는 빨간색의 경우 2V, 녹색 및 파란색의 경우 3.2V입니다.

공통 양극이 5V에 연결된 경우 LED와 I/O 핀 사이의 저항기 값은 다음 방정식으로 결정됩니다.

방정식 1

설명:

V_DD = 5V

V_OL = ATSAMC21J18A의 출력 저전압 = 0.1 x V_DD = 0.5V

V_F = 순방향 전압(통상)

I = 순방향 전류(A)

R = 저항기 값(Ω)

I = 20mA에 이 공식을 적용하면 R_RED(V_F = 2V) = 125Ω, R_GREEN = R_BLUE(V_F = 3.2V) = 65Ω의 결과가 제공됩니다.

계산된 저항을 표준 저항기 값으로 사용할 수 없는 경우 개발자는 다음으로 낮은 값 또는 다음으로 높은 값(선호됨)을 선택할 수 있습니다. 더 낮은 값을 선택할 때는 해당 LED의 최대 순방향 전압 또는 ATSAMC21J18A I/O 포트의 최대 전류 싱크 용량을 초과하지 않도록 주의해야 합니다. 이러한 최대값을 초과하더라도 LED는 작동하지만 LED의 수명이 감소하거나 시간 경과에 따른 성능 저하 및 /O 포트 파손이 발생할 수 있습니다. 조광기 빛이 애플리케이션에서 계속 허용되는 경우에는 순방향 전류가 감소될 수도 있습니다. 예를 들어, 순방향 전류가 15mA일 때 Adafruit 2739 RGB LED의 지정된 순방향 전압은 빨간색의 경우 1.9V, 녹색 및 파란색의 경우 3.1V로 저하됩니다. 그 결과 저항기 값은 R_RED = 173.3Ω, R_GREEN = R_BLUE = 93.3Ω이 됩니다.

ATSAMC21J18A는 접지 연결을 제어하여 LED를 제어하므로 개별 LED는 I/O 포트가 low 논리일 때 켜지고 high 논리일 때 꺼집니다. 이러한 이유로 계산된 RGB 색상 코드 듀티 사이클을 뒤집어야 합니다. 예를 들어 색상에 25%의 듀티 사이클이 필요한 경우 PWM은 LED가 기간의 25% 동안 켜져 있도록 75%의 듀티 사이클을 생성해야 합니다. 또한 전원을 켤 때 LED를 꺼야 하는 경우 마이크로 컨트롤러 코드가 핀 3개를 high 논리로 활성화해야 합니다.

ATSAMC21J18A는 256KB의 플래시 메모리, 32KB의 RAM, 다양한 아날로그 주변 소자와 함께 제공됩니다. 또한 마이크로 컨트롤러에는 각각 USART, SPI, LIN 슬레이브 또는 I²C 인터페이스로 작동할 수 있는 직렬 통신 모듈(SERCOM) 6개도 있습니다.

스마트 RGB LED

RGB LED로 여러 색상을 생성하는 또 다른 방법은 프로그래밍을 이용하는 것입니다. 스마트 LED는 프로그래밍 가능 직렬 인터페이스와 함께 제공되는 이러한 유형의 다색 LED를 설명하는 용어입니다. 800kHz I²C 인터페이스를 사용하여 임의의 색상을 생성하도록 프로그래밍할 수 있는 5mm 정사각형 RGB LED인 American Bright Optoelectronics의 BL-HBGR32L-3-TRB-8을 예로 들 수 있습니다(그림 5).

그림 5: American Bright의 BL-HBGR32L-3-TRB-8은 여러 장치를 동일한 I²C 인터페이스에서 직렬 연결할 수 있도록 해주는 I²C 패스쓰루 핀아웃을 가진 5mm 정사각형 6핀 디지털 RGB LED입니다. (이미지 출처: American Bright Optoelectronics Corp.)

I²C 인터페이스의 편리함 덕분에 기판 공간이 절약되고 마이크로 컨트롤러 코드가 단순화되어 설계가 크게 간소화됩니다. ATSAMC21J18A의 SERCOM 포트 중 하나를 I²C 직렬 인터페이스로 구성하여 BL-HBGR32L-3-TRB-8에 손쉽게 연결할 수 있습니다. 그림 5의 핀아웃을 참조하면 ATSAMC21J18A 마이크로 컨트롤러의 I²C 데이터 신호가 핀 1 Data In 신호에, I²C 클록이 핀 2 Clock In에 연결됩니다.

BL-HBGR32L-3-TRB-8 LED의 색상은 글로벌 휘도 설정 및 RGB 색상 코드를 나타내는 4바이트를 하나의 32비트 워드로 전송하여 프로그래밍됩니다. 스마트 LED의 핀 6에는 데이터 출력 패스쓰루가 있고 핀 5에는 I²C 클록 패스쓰루가 있습니다. 이를 통해 여러 LED가 함께 직렬 연결되어 각 LED가 다른 색상을 표시할 수 있습니다.

결론

구동 방식을 이해한다면 다색 RGB LED를 사용하여 공간, 비용 및 전력을 절약할 수 있으며 최종 시스템, 장치, 상태 표시 또는 조명 시스템의 사용자 인터페이스와 설계를 향상시킬 수 있습니다. 개발자는 각 LED를 완벽하게 제어하는 표준 RGB LED 또는 프로그래밍 가능 방식으로 색상을 제어하는 스마트 LED 중에서 선택할 수 있습니다. 또한 일반적으로 PWM 제어 신호의 생성에 사용되는 마이크로 컨트롤러의 경우 다양한 저전력 저비용 옵션을 선택할 수 있습니다.