임베디드 시스템 및 디스플레이를 위한 RGB LED 표시기

전자 회로는 작동 상태를 전달해야 하는 경우가 많으며 이를 수행하는 간편한 방법 중 하나는 조명을 이용한 표시기입니다. 조명 솔루션 중 LED는 전통적인 조명 방식보다 에너지를 적게 소비합니다. LED는 저전력으로 작동할 수 있으므로 배터리 에너지가 제한되는 임베디드 시스템 계측 환경에 유리합니다.

작동에 빨간색, 노란색, 녹색으로만 구성된 기본 신호 시스템이 필요한 경우 단순한 RYG 표시기로 충분할 수 있습니다. 이런 경우 빨간색은 위험 또는 중지를 나타내고, 녹색은 모든 시스템이 정상적으로 작동 중임을 나타냅니다. RYG 시스템은 기본 대시보드 및 산업용 신호 타워에 사용되는 전통적인 솔루션을 제공합니다.

빨간색, 녹색, 파란색(RGB) LED 표시기는 전달하려는 상태에 따라 다른 색상으로 빛을 내어 시각적 표시 기능을 수행합니다. RGB LED 표시기는 다양한 색상과 시각적으로 더 정교한 정보를 제공합니다. 예를 들어, 그라데이션 바의 온도 범위의 경우 강도를 표시하기 위해 다양한 색상 음영이 필요합니다.

또한, RGB LED 표시기는 원하는 색상을 표시하도록 변조하여 서로 다른 두세 개 표시기의 기능을 수행할 수 있으므로 결과적으로 필요한 공간이 더 작아집니다.

RGB LED 표시기는 열악한 환경에서 사용되는 기계의 디스플레이 스크린, 스마트 홈 장비, 산업 응용 분야의 임베디드 시스템을 비롯하여 다양한 응용 제품에 사용됩니다. 예를 들어, APEM의 Q10/14/16/19/22 계열 RGB(그림 1)는 100,000시간의 작동 수명과 함께 사실상 무한한 색상 옵션을 제공합니다. RGB LED는 더 많은 색상을 지원하면서 더 적은 에너지를 소비하므로 최신 계측 기기에 일반적으로 선택되는 부품입니다.

그림 1: APEM의 Q10/14/16/19/22 계열 RGB LED 표시기는 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 제어되어 다양한 색상을 표현할 수 있습니다(이미지 출처: DigiKey).

RGB LED의 작동 방식

구동기는 LED에 전달되는 전류를 제어함으로써 색상 표시를 제어합니다. 또한 8비트를 사용하여 각 채널(R, G 또는 B)에 필요한 색상의 양을 나타냅니다. 예를 들어, 빨간색 채널의 8비트 표현 00000000은 최종 색상 구성에 빨간색이 없어야 함을 의미합니다. 각각의 8비트 표현은 0과 1의 조합일 수 있으므로, 각 색상 모듈은 0부터 255까지 2⁸개(256개)의 다른 값을 가질 수 있습니다

이러한 256개 값 각각은 빨간색, 녹색, 파란색의 강도 측면에서 매우 정교한 변화를 나타냅니다. 빨간색, 녹색, 파란색 요소의 256개 값 각각을 서로 다른 조합으로 조정하는 방식으로 회로 설계자는 수백 만 가지 색조(256 x 256 x 256개 또는 1,670만 개)를 구현할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 큐브에 매핑된 RGB 색상 모델. 가로 x축은 왼쪽으로 갈수록 증가하는 빨간색 값을 나타내고, y축은 오른쪽 아래로 갈수록 증가하는 파란색 값을 나타내며, 수직 z축은 위쪽으로 갈수록 증가하는 녹색 값을 나타냅니다. 원점인 검은색은 보기에서 숨겨진 꼭지점입니다(이미지 출처: SharkD, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons).

예를 들어, 후크시아 색상에 대한 RGB 값은 세 가지 성분에 대해 R: 255, G: 0, B: 255와 같은 설정을 가집니다. 한편, 샤르트뢰즈 색상에 대한 RGB 값은 R: 223, G: 255, B: 0입니다.

RGB LED 표시기가 특정 색상을 표시하도록 하려면 각각의 색상 모듈에 제공되는 전력을 조작하여 빨간색, 녹색, 파란색 성분의 강도를 미세 조정해야 합니다. LED의 광도를 동적으로 조정하기 위해 정전류 제어(CCR)와 펄스 폭 변조(PWM)의 두 가지 방법을 사용할 수 있습니다.

CCR 방법은 LED에 전송되는 전류의 양을 줄이므로 광 출력이 달라집니다. 이 방법은 간단하며 몇 가지 이점이 있습니다. 반면 PWM 방법은 전류의 양을 일정하게 유지하지만, 전류를 LED에 지속적으로 공급하는 대신 빠른 펄스로 보내 초당 여러 번 LED를 켜고 끕니다. 결과적으로 LED의 광도는 전류가 on 상태인(즉, '듀티 사이클') 시간의 비율에 비례합니다.

PWM은 최종 색상 출력에 대한 미세한 제어가 가능하므로 RGB LED 표시기를 제어하는 데 특히 유용한 기술입니다. 또한, PWM은 마이크로 컨트롤러를 사용하는 디지털 제어에 적합하며, 이는 출력을 high 상태와 low 상태 간에 전환합니다.

RGB LED 표시기를 위한 미학

표시기가 전기 기기 및 인간 기계 간 인터페이스(HMI)의 디스플레이 및 제어판에 사용되는 경우 장치와 더 충분히 통합되어야 합니다. 전통적인 2핀 LED는 일반적으로 고정할 수 있는 단단한 베이스가 필요하며, 표시기는 종종 패널의 구멍을 통해 돌출되어 설치됩니다. LED 표시기가 돌출된 경우 설계자가 의도한 제품의 외관 디자인과 맞지 않을 수 있습니다. 또한 이러한 돌출로 인해 손쉽게 손상을 입을 수 있습니다.

이에 반해, 패널 실장 표시기는 패널에 고정되어 있어 설계와 설치가 훨씬 쉬워집니다. 이런 경우, 실장 메커니즘으로 베젤을 사용하여 미적 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 베젤 옵션은 LED가 패널에서 돌출되어 손상되기 쉬운 구조 대신, 세련된 외관을 제공합니다.

베젤 옵션 내에서도 RGB LED 표시기는 플러시 베젤 실장과 돌출형 베젤 실장 중에서 선택할 수 있습니다. 플러시 베젤은 패널에 평평하게 배치되므로 매끈하고 현대적인 외관을 제공합니다. 반면 돌출형 베젤에는 표면 위로 살짝 돌출된 LED 캡이 있습니다. 이렇게 살짝 돌출된 형태는 다양한 각도에서 디스플레이를 확인해야 하는 경우에 특히 유용합니다. 돌출형 베젤 실장은 햇빛이 센 실외 환경이나 조명이 강한 산업 환경에서 더 손쉽게 식별할 수 있습니다. 베젤 선택은 궁극적으로 최종 응용 제품에 따라 달라집니다. 조명이 강한 환경에서는 표시기의 가시성이 더욱 중요해지므로, 돌출형이 더 적합한 선택이 될 수 있습니다. 설계 엔지니어가 미관만 고려하면 되는 경우에는 플러시 실장을 선택하는 것이 더 현명합니다.

베젤 외에도, 패널 실장 표시기를 설치하려면 회로 설계자가 이에 맞는 패널 컷아웃을 설계해야 합니다. 컷아웃은 빠른 설치를 위해 스냅핏 방식일 수 있지만, 이 경우 보다 정밀한 절단이 필요합니다. 진동이 심한 환경에서는 표시기를 보다 견고하게 고정하기 위해, 너트를 사용해 패널에 끼울 수 있습니다. 패널 컷아웃의 크기는 다양할 수 있습니다. APEM의 Q 계열 RGB LED 표시기는 10mm, 14mm, 16mm, 19mm, 22mm 컷아웃으로 제공되며 플러시 및 돌출형 베젤 모두를 제공합니다.

적절한 RGB LED 표시기 선택

다양한 옵션이 제공될 경우, 특정 응용 제품에 적합한 LED 표시기를 선택하기 위해 고려되는 주요 기준은 다음과 같습니다.

• 공통 양극 또는 음극: 공통 양극의 경우에는 빨간색, 녹색, 파란색 세 성분이 포지티브(양극) 연결을 공유하고, 공통 음극의 경우에는 네거티브(음극) 연결을 공유합니다. LED 구동기가 공통 양극 및 공통 음극 패키지를 활용하려면 서로 다른 전자 부품이 필요합니다
• 스루홀 또는 표면 실장: RGB LED 표시기의 설치 유형
• 표시기의 크기 및 패널 컷아웃: (패널 표면 실장 옵션을 사용하는 경우)
• LED 표시기의 밝기 및 해당 시야각
• 전압 및 전류 정격: 신뢰할 수 있는 성능을 보장하려면 회로의 예상 범위에 일치시켜야 합니다.
• LED 표시기의 제어 방식: 마이크로 컨트롤러의 개별 PWM 채널을 사용하는 것부터, 보다 정밀한 조정 옵션을 제공하는 드라이버 IC를 사용하는 것까지 다양할 수 있습니다.
• 환경적 고려 사항: 진동, 충격, 먼지, 극도의 더위 또는 추위 등의 요인에 따라 특정 응용 제품에 필요한 LED의 종류가 결정됩니다.

Q 계열의 RGB LED 표시기

APEM의 Q 계열은 RYG 옵션에 비해 더 강력한 RGB 광 출력과 밝은 조명을 제공하는 통합 조명 기능을 갖추고 있습니다. 패널의 미관에 맞게 매립형 옵션을 사용할 수 있습니다. Q 계열은 실외 환경이나 고습도의 실내 환경에서 필요한 방수 성능을 위해 에폭시 수지 밀봉 옵션을 제공합니다.

또한 Q 계열은 표준형, 하이퍼 브라이트, 슈퍼 브라이트 옵션을 제공합니다. 표준형은 모든 실내 환경에 적합하며, 하이퍼 브라이트 옵션은 시야각이 중요한 실외 환경을 위해 설계되었습니다. 슈퍼 브라이트 옵션은 주간에도 식별 가능한 LED이지만, 시야각이 매우 좁아 장거리 식별에 적합합니다.

결론

RGB LED 표시기는 최소한의 에너지를 소비하면서 시각 신호를 제공하므로 최신 전자 장치에 매우 적합합니다. 또한 APEM_Q10/14/16/19/22 계열의 표시기는 풍부한 기능을 지원하며, 패널을 표시해야 하는 거의 모든 응용 제품에 적합한 다양한 옵션을 고객에게 제공합니다.