フルカラーLEDを使ったみた(ハード制御編)

LEDはすっかり日常の中に溶け込んでいます。

車のヘッドライト、照明、信号 等 さまざまな用途で、

基本的には単色の発光をしているかと思います。

しかし、1つのLEDで多種の色を発行できるフルカラーLEDというものがあります。

使用例ですと、クリスマスのイルミネーション等の電飾を想像して頂ければと思います。

今回はそのフルカラーLEDをボタンを使用して制御する方法を紹介します。

フルカラーLEDについて

フルカラーLEDって何?

まず、比較のために「単色LED」も簡単に紹介します。

単色LED

特徴
● 端子は2つ ※足が短いほうがカソード

● 1つのLEDで1色のみ再現可能

データシート:5mm赤色LED OSDR5113A

フルカラーLED

フルカラーLEDは大きく3種類あります。

 1. イルミネーション用フルカラーLED

特徴

●  端子は2つあります ※足が短いほうがカソードです

●  10色程度の色がローテーションで光ります

●  ICが内臓ざれており、一定時間経つと自動で色が変わります

● クリスマスのイルミネーション等によく用いられいます

使い方参考 :RGBイルミネーションフルカラーLED(OST1MA58K1B)を点灯させる

データシート:RGBイルミネーションフルカラーLED OST1MA58K1B

2. RGBフルカラーLED(アノードコモン)

特徴● 端子は4つあります ※足が長い1本がアノードです(他はカソード)

● 1つのLEDで約1677万色(256 ^3)を再現可能

データシート:RGBフルカラーLED 5mm OSTAMA5B31A アノードコモン

3. RGBフルカラーLED(カソードコモン)

特徴

● アノードコモンに対して、アノードとカソードが逆になっただけです

 ※足が長い1本がカソードです(他はアノード)

● 他はアノードコモンと同じです

データシート : RGBフルカラーLED 5mm OSTA5131A カソードコモン

本記事では「2. RGBフルカラーLED(アノードコモン)」を使用します

用意するもの

ラズベリーパイ

Raspberry Pi 3 Model B+
created by Rinker

 

ブレッドボード

ブレッドボード
created by Rinker

 

ジャンパー線

ジャンパーワイヤ130pcs オス-オス forブレッドボード
created by Rinker

 

フルカラーLED(アノードコモン)

RGB 3色 LED モジュール
created by Rinker

 

抵抗

3個いります。

可変抵抗器 1kΩ
created by Rinker

 

スイッチ

タクト、トグル、スライドのどれでも良いので3個を用意してください。

タクトスイッチ
created by Rinker
トグルスイッチ
created by Rinker
スライドスイッチ
created by Rinker

 

フルカラーLEDの回路を設計しよう

配線の仕方は?

こんな感じになります。

RGBによって抵抗値は違うのはなぜ?

同じ抵抗値でも電流が通るレベルであれば、問題なく使用することはできます。

ですが、同じ抵抗値ですと、ホワイトバランスが考えられておらず、白色がきれいに表示できません。

本記事では白色をきれいに表示することを重点に置き、以下の注意事項を考えて進めていきます。

注意事項

● RGBの光度はLED型番によって異なる

● ホワイトバランスはR:G:B = 3:7:1 の光度比にする

参考:フルカラーLEDの白色発光について – 日亜化学工業

抵抗値の算出方法は?

1.データシートのLuminous Intensityとホワイトバランスから電流量を決める

Luminous Intensity(光度) 

最小(mcd) 標準(mcd) 最大(mcd)
R(赤) 7000 8500
G(緑) 12000  14400
B(青) 3000 4000

標準(mcd)列を使用し、光度比を求めると

R:G:B =  8500 : 14400 : 4000 ≒ 2 :3.5 : 1

ホワイトバランスは

R:G:B =  3:7:1

よって、光度比とホワイトバランスより、電流比を求めると

R:G:B =  (3 / 2) : (7 / 3.5) : (1 / 1) = 1.5 : 2 : 1

電流量の基準値を4mAとして考えたとき、使用する電流値を求めると

R:G:B =  (1.5×4mA) : (2×4mA) :  (1×4mA)  =  6mA : 8mA : 4mA

2.RGBそれぞれの抵抗値を求める

安定した電圧を出力するために電流量に関する以下の注意事項を考えて設計します。

電流量に関する注意事項
● ラズパイ1ピンあたりの安定して出力できる最大電流は16m
● GPIO全体の合計電流は50mA程度まで参考サイト:ラズパイの電流(16mA)
 

抵抗を求める式

(電源電圧[V] – LEDの順電圧[V]) / 電流[I] = 抵抗値[Ω]

順電圧はデータシートの「DC Forward Voltage」の標準(V)列を使用します

DC Forward Voltage(順電圧) 

最小(V) 標準(V) 最大(V)
R(赤) 1.8 2.1  2.6
G(緑) 2.8 3.1 3.6
B(青) 2.8 3.1 3.6

電源電圧を3.3Vとし、前章で計算したRGB別の電流量を使用します

赤:緑:青  = 6mA : 8mA : 4mA

R(赤)

(3.3 – 2.1) [V] / 0.006[A] = 200[Ω]

G(緑)

(3.3 – 3.1) [V] / 0.008[A] = 25[Ω]

B(青)

(3.3 – 3.1) [V] / 0.004[A] = 50[Ω]

ただし、上記の計算値は理論値です。

実際に電流量を計測しながら抵抗を設定した結果以下のようになりました。

R(赤)

200[Ω]     → 223[Ω]

G(緑)

25[Ω]       → 40[Ω]

B(青)

50[Ω]       → 133[Ω]

理論値と結果がずれた原因ははっきりとはわかりませんが、

おそらくForward Voltage(順電圧)にばらつきがあるのではないかと思います。

フルカラーLEDを使ってみよう

ダイジェスト

本記事での使った結果のダイジェストを動画にしてみました

 

 

色光の3原色を表示してみよう

色光の3原色 とは 「赤,緑,青」のことです

RGB明度

表示色 R G B
255 0  0
0 255 0
0 0 255
 
 
赤を点灯しよう

奥のスイッチを押します

      
 
緑を点灯しよう

真ん中のスイッチを押します

青を点灯しよう
手前のスイッチを押します
 

色料の3原色を表示してみよう

色料の3原色 とは 「シアン, マゼンタ,イエロー」のことです

RGB明度

表示色 R G B
シアン 0 255  255
マゼンタ 255 0 255
イエロー 255 255 0
 
 
シアンを点灯しよう
緑と青のスイッチを押します

マゼンタを点灯しよう
赤と青のスイッチを押します
イエローを点灯しよう
赤と緑のスイッチを押します

白を表示してみよう

全ての色を同時につけると「」が発光されます。

RGB明度

表示色 R G B
255 255  255
 
 
赤と緑と青のスイッチを押します

参考資料

興味がある方はご覧ください!

LEDの発光原理

発明者はニック・ホロニアック

まとめ

●  ホワイトバランス等を考える必要があり、フルカラーLEDの白色を作るのは面倒だった

●  フルカラーLEDに複数種類(イルミネーション、アノードコモン、カソードコモン)があった

●  可変抵抗はとても便利だった

次回はラズパイのパルスを使って1667色の設定方法を紹介します!!!

変更履歴

2018/01/30

  • タイトル修正
  • 回路図修正

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