Comment commander des LED multicolores

Les diodes électroluminescentes (LED) constituent des moyens simples et rentables pour fournir des informations d'état. Cependant, pour certains projets, il est possible qu'une LED unicolore ne soit pas suffisante, mais que l'utilisation de plusieurs LED puisse être peu pratique en raison des contraintes d'espace, de coût ou d'alimentation. Dans ces cas-là, les LED multicolores fournissent une solution efficace, à condition qu'elles interfacent correctement avec un microcontrôleur.

Cet article explique les principes de base des LED et traite des avantages des LED multicolores, avant de présenter des solutions de LED multicolores adaptées. Enfin, il expose le mode d'interfaçage des LED avec un microcontrôleur pour générer jusqu'à 16 millions de couleurs différentes.

Traitement des LED comme des diodes

Dans la conception d'un circuit à LED, il est important de retenir que ces dispositifs ne sont pas des ampoules à incandescence, mais des dispositifs à semi-conducteurs (diodes) qui émettent de la lumière. En tant que diodes, les LED ne permettent généralement qu'un flux de courant dans une seule direction (les diodes ne sont pas idéales, elles présentent un flux de courant minime dans le cas d'une polarisation inverse).

La partie électroluminescente d'une LED standard est une simple diode à semi-conducteurs fixée au milieu de l'assemblage, composée d'une seule jonction p-n (Figure 1). Le courant circule de l'anode de la LED, qui est connectée à la puce de type-p, vers la cathode de la LED, connectée à la puce de type-n. Dans les diodes standard, la jonction p-n est généralement en germanium (Ge) ou en silicium (Si). Cependant, pour les LED, la jonction est typiquement composée d'un matériau semi-conducteur transparent comme le phospho-arséniure de gallium (GaAsP) ou le phosphure de gallium (GaP).

Figure 1 : Un assemblage LED contient la puce à jonction p-n à semi-conducteurs, qui permet la circulation du courant de l'anode vers la cathode. Un logement transparent avec une lentille permet à l'utilisateur de facilement voir la lumière émise résultante. (Source de l'image : Wikipédia)

Grâce au matériau transparent GaAsP ou GaP, la tension directe appliquée sur la jonction p-n génère des photons à partir du semi-conducteur. La jonction p-n est montée sur une cavité réfléchissante qui dirige les photons vers la lentille de la LED. La lentille et le corps de la LED sont composés de résine époxy transparente pouvant également être teinte pour correspondre à la couleur de la lumière émise.

La cavité réfléchissante est placée sur une grille de connexion appelée enclume et la cathode est connectée par un fil de connexion à une grille appelée borne. L'enclume et la borne sont conçues pour former une connexion robuste avec le corps époxy de la LED, afin d'éviter le retrait des broches d'anode et de cathode du corps époxy de la LED pour ne pas l'endommager.

LED unicolores

Les LED sont disponibles en plusieurs couleurs, notamment rouge, vert, jaune, ambre, cyan, orange, rose, violet et plus récemment, blanc et bleu. Les LED unicolores comprennent une puce à semi-conducteurs composée d'un matériau générant la longueur d'onde lumineuse désirée, avec un logement époxy qui est souvent de la même couleur. Même si la lentille ne doit pas forcément avoir la même couleur que la lumière émise, il s'agit d'un élément important pour simplifier l'identification de la couleur du composant LED afin d'éviter la confusion avec d'autres LED.

LED multicolores

Pour certains systèmes présentant des contraintes d'espace, de coût et d'alimentation, l'utilisation d'une LED pouvant émettre plusieurs couleurs offre un avantage. Ces LED multicolores ont généralement trois LED, une rouge, une verte et une bleue (RVB) dans un seul logement époxy transparent. La LED RVB 2739 d'Adafruit Industries constitue un bon exemple (Figure 2). Conçue pour les voyants multicolores, elle présente une surface d'émission à lentille rectangulaire de 2,5 mm de largeur sur 5 mm de hauteur, avec quatre sorties radiales pour un montage traversant sur une carte à circuit imprimé.

Figure 2 : La LED RVB 2739 d'Adafruit présente une lentille rectangulaire époxy transparente de 2,5 mm de largeur sur 5 mm de hauteur. Elle est fournie avec quatre sorties radiales pour un montage traversant sur un circuit imprimé. (Source de l'image : Adafruit Industries)

Typiquement, chacune des trois LED internes peut être utilisée individuellement ou avec les autres pour produire des couleurs différentes.

Les LED RVB multicolores sont généralement disponibles en trois brochages :

1. Une anode commune pour toutes les LED, chaque cathode individuelle étant disponible pour un total de quatre broches
2. Une cathode commune pour toutes les LED, chaque anode individuelle étant disponible pour un total de quatre broches
3. Les anodes et les cathodes individuelles sont disposées pour un total de six broches

Conception avec des LED multicolores

La LED RVB 2739 d'Adafruit présente une anode commune avec chacune des cathodes pour les LED rouge, verte et bleue disposées individuellement pour un total de quatre broches (Figure 3). L'anode commune est connectée à l'alimentation positive, tandis que les LED rouge, verte et bleue individuelles sont activées en les connectant à la masse.

Figure 3 : La LED RVB 2739 d'Adafruit présente une anode commune avec une cathode distincte pour les LED rouge, verte et bleue. (Source de l'image : Adafruit Industries)

Génération de plusieurs couleurs

Si une application n'a besoin d'afficher qu'un seul des trois états, la meilleure solution consiste à utiliser la LED RVB 2739 de façon à activer une seule LED à la fois, permettant ainsi à l'utilisateur de choisir entre rouge, vert ou bleu.

Pour obtenir d'autres variétés de couleurs, un concepteur peut simplement combiner deux couleurs, ce qui donne les six options de couleurs suivantes :

• Rouge
• Vert
• Bleu
• Jaune (rouge + vert)
• Cyan (vert + bleu)
• Magenta (rouge + bleu)

Pour que la documentation du projet soit claire, les couleurs affichées doivent être distinctes, faciles à reconnaître et faciles à identifier verbalement. Par exemple, une LED verte à pleine intensité doit être référencée en « vert-jaune » (lime) dans la fiche technique de la LED. Cependant, lorsque la LED s'allume, la plupart des utilisateurs et des développeurs interrogés décrivent la couleur comme étant « verte ». Indépendamment du nom réel de la couleur, les utilisateurs doivent pouvoir facilement distinguer les différentes couleurs visuellement et sur l'étiquette. Peu de gens peuvent facilement identifier la différence entre le « vert » et le « vert-jaune », d'ailleurs si les deux couleurs figuraient côte à côte, ils pourraient identifier le « vert-jaune » comme du « vert » et le vert comme du « vert foncé ».

Pour les applications plus complexes, les combinaisons RVB peuvent varier en intensité pour générer jusqu'à 16 millions de couleurs. Pour ce faire, il existe une méthode fiable qui consiste à appliquer un signal PWM sur chacune des LED, où le rapport cyclique correspond à l'intensité. L'œil humain peut identifier des scintillements de 200 Hz ou moins. Une fréquence PWM de 1000 Hz ou plus rapide est alors nécessaire pour éviter les scintillements.

Les couleurs peuvent être facilement sélectionnées avec leur code couleur RVB. Il est basé sur le modèle de couleur additive RVB, où les lumières rouge, verte et bleue varient respectivement en intensité et se combinent pour reproduire presque toutes les couleurs. Ce modèle s'applique à la lumière et constitue le principe de base de la reproduction des couleurs dans les télévisions et les écrans. Il est également utilisé pour représenter les couleurs sur les pages Web.

L'abréviation du code couleur RVB est représentée par (R, V, B), où R, V et B sont des valeurs décimales désignant l'intensité des composantes rouge, verte et bleue de la couleur, de l'ordre de 0 à 255. Par exemple, le code couleur RVB décimal du bleu est (0,0,255), celui du violet (128,0,128) et celui du gris argenté (192,192,192). Pour déterminer le rapport cyclique PWM de chaque couleur, ces valeurs sont divisées par 255, donc les valeurs de rapport cyclique sont de (0,0,100 %) pour le bleu, (50 %,0,50 %) pour le violet et (75 %,75 %,75 %) pour le gris argenté.

Théoriquement, la lumière blanche est représentée par (255,255,255) et peut être générée en activant simultanément les LED rouge, verte et bleue à pleine intensité. Cependant, en pratique, la couleur produite par cette méthode est souvent blanche avec une teinte bleutée. Cette teinte résulte de la non-concordance entre les couleurs de LED générées et les longueurs d'ondes précises du rouge, du vert et du bleu parfaits.

Les signaux PWM requis sont facilement générés avec un microcontrôleur. L'ATSAMC21J18A de Microchip Technology constitue un bon exemple (Figure 4). Il s'agit d'un dispositif basse consommation pour les points d'extrémité IoT qui appartient à la gamme de microcontrôleurs SAM C21 de la même société. Il présente un cœur Arm® Cortex®-M0+ de 48 MHz et prend en charge 5 V pour E/S.

Figure 4 : Le microcontrôleur ATSAMC21J18A présente des unités de temporisateurs/compteurs pouvant générer automatiquement trois signaux PWM synchrones. (Source de l'image : Microchip Technology)

Pour commander les LED, l'ATSAMC21J18A présente des unités de temporisateurs/compteurs pouvant générer automatiquement trois signaux PWM synchrones. La gamme SAM C21 est dotée d'une option d'absorption élevée permettant à quatre broches E/S d'absorber respectivement jusqu'à 20 mA.

Lors de l'utilisation d'une LED, il est important de sélectionner une résistance série adaptée pour limiter le flux de courant. Une résistance dont la valeur est trop faible peut détruire la LED, tandis qu'une résistance dont la valeur est trop élevée peut produire une lumière faible ou nulle. La valeur de la résistance série est déterminée par la tension directe de chaque LED et le flux de courant désiré.

Les LED sont des semi-conducteurs commandés en courant. En outre, il convient de noter qu'en raison des caractéristiques physiques des matériaux, la tension de fonctionnement de la LED augmente à mesure que la longueur d'onde de la lumière émise diminue. C'est un facteur essentiel à prendre en compte lors de l'utilisation de plusieurs LED.

Avec un courant direct de 20 mA pour la LED RVB 2739 d'Adafruit, les tensions directes LED typiques spécifiées dans les tableaux d'Adafruit sont de 2 V pour rouge et 3,2 V pour vert et bleu.

Si l'anode commune est connectée à 5 V, alors les valeurs de la résistance entre les LED et les broches E/S sont déterminées par l'équation :

Équation 1

Où :

V_DD = 5 V

V_OL = basse tension de sortie pour l'ATSAMC21J18A = 0,1 x V_DD = 0,5 V

V_F = tension directe (typique)

I = courant direct en ampère

R = valeur de la résistance en ohm (Ω)

L'application de cette formule pour I = 20 mA donne R_ROUGE (V_F = 2 V) = 125 Ω et R_VERT = R_BLEU (V_F = 3,2 V) = 65 Ω.

Si une résistance calculée ne correspond pas à la valeur standard de la résistance, le développeur peut choisir la valeur inférieure la plus proche ou la valeur supérieure la plus proche (recommandée). Lorsqu'une valeur inférieure est sélectionnée, il convient de faire attention à ne pas dépasser la tension directe maximum pour cette LED ou la capacité d'absorption de courant maximum du port E/S de l'ATSAMC21J18A. Bien que la LED puisse encore fonctionner si ces valeurs maximales sont dépassées, cela risque de diminuer la durée de vie de la LED, voire d'endommager ou de détruire le port E/S au fil du temps. Le courant direct peut éventuellement être diminué si une lumière plus faible convient à l'application. Par exemple, pour un courant direct de 15 mA, les tensions directes spécifiées pour la LED RVB 2739 d'Adafruit baissent à 1,9 V pour rouge et 3,1 V pour vert et bleu. Cela donne des valeurs de résistance R_ROUGE = 173,3 Ω et R_VERT = R_BLEU = 93,3 Ω.

Comme l'ATSAMC21J18A commande les LED en contrôlant la connexion à la terre, une LED individuelle est allumée lorsque le port E/S est à l'état logique bas et éteinte à l'état logique haut. Par conséquent, les rapports cycliques calculés pour le code couleur RVB doivent être inversés. Par exemple, si une couleur requiert un rapport cyclique de 25 %, la modulation PWM doit générer un rapport cyclique de 75 % pour que la LED soit à 25 % de la période. En outre, si la LED doit être éteinte au démarrage, le code de démarrage du microcontrôleur doit activer les trois broches à l'état logique haut.

L'ATSAMC21J18A est fourni avec 256 Ko de mémoire Flash, 32 Ko de RAM et plusieurs périphériques analogiques. Le microcontrôleur présente également six modules de communication série (SERCOM), pouvant respectivement servir d'interface USART, SPI, esclave LIN ou I²C.

LED RVB intelligente

Une autre solution pour générer des couleurs multiples avec une LED RVB consiste à la programmer. La LED intelligente est un terme utilisé pour décrire un modèle de LED multicolore fourni avec une interface série programmable. La LED RVB carrée de 5 mm BL-HBGR32L-3-TRB-8 d'American Bright Optoelectronics est un bon exemple. Elle peut être programmée pour générer toute couleur à l'aide d'une interface I²C de 800 kHz (Figure 5).

Figure 5 : La LED BL-HBGR32L-3-TRB-8 d'American Bright est une LED RVB numérique carrée à six broches de 5 mm avec un brochage traversant I²C permettant la connexion en chaîne de plusieurs dispositifs sur la même interface I²C. (Source de l'image : American Bright Optoelectronics Corp.)

Le côté pratique de l'interface I²C simplifie considérablement la conception en économisant de l'espace sur la carte et en simplifiant le code du microcontrôleur. L'un des ports SERCOM de l'ATSAMC21J18A peut être configuré en tant qu'interface série I²C pour simplifier l'interfaçage avec la LED BL-HBGR32L-3-TRB-8. En se référant au brochage de la Figure 5, le signal de données I²C du microcontrôleur ATSAMC21J18A est connecté à la broche 1 de signal DI (données entrantes) et l'horloge I²C à la broche 2 CI (entrée d'horloge).

La couleur de la LED BL-HBGR32L-3-TRB-8 est programmée par l'envoi de quatre octets représentant le paramètre de luminosité globale et les codes couleur RVB par un mot de 32 bits. La LED intelligente a une sortie de données sur la broche 6, ainsi qu'une sortie d'horloge I²C sur la broche 5. Cela permet la connexion en chaîne de plusieurs LED pour que chaque LED puisse afficher une couleur différente.

Conclusion

En comprenant comment les commander, les LED RVB multicolores permettent d'économiser de l'espace et de l'énergie et de réduire les coûts, tout en améliorant l'esthétique et l'interface utilisateur d'un système final, d'un dispositif, d'un indicateur d'état ou d'un système d'éclairage. Les développeurs peuvent choisir entre des LED RVB standard offrant un contrôle complet de chacune des LED, ou des LED intelligentes fournissant un contrôle programmable des couleurs. En outre, plusieurs options basse consommation et économiques sont disponibles en ce qui concerne les microcontrôleurs généralement utilisés pour générer des signaux de commande PWM.