LED-Technik LED-Farben optimal mischen und berechnen

Autor / Redakteur: Brian Tompson, Stephen Allen * / Margit Kuther

Die richtige Mischung der Ausgangsfarbe von RGB-LEDs ist eine Kunst. Ein Demo-Board und ein PIC12-Prozessor von Microchip helfen dabei.

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Die richtige Mischung macht's: Mit Microchip-Produkten zur passenden LED-Farbe
Die richtige Mischung macht's: Mit Microchip-Produkten zur passenden LED-Farbe
(Bild: Microchip)

Grafiker wollen eine präzise Farbanpassung erzielen, um ihre künstlerische Arbeit hervorzuheben und eine Wiederkennung zu garantieren. Die genaue Darstellung von Farbe auf verschiedenen Einrichtungen und Medien ist immer noch eine Herausforderung.

Es gibt verschiedene Arten, Farbwerte auszudrücken: CMYK, RGB, CIE und HunterLab. Jede Farbe besteht aus drei unterschiedlichen Variablen – aufgrund der drei verschiedenen Zapfen im menschlichen Auge.

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Eine gängige Methode um Farbe darzustellen, ist das CIE 1931 XYZ-Farbraumdiagramm. Darin ist Y die Luminanz oder Helligkeit und X sowie Z bilden die Farbart (Chromatizität). Grau und Weiß haben die gleiche Chromatitzität, unterscheiden sich aber in ihrer Luminanz. Damit ergibt sich ein dreidimensionaler Farbraum, der alle Farben abdeckt, die das menschliche Auge wahrnehmen kann.

Rote, grüne und blaue LEDs können eine Vielzahl von Farben erzeugen. Einzelne Farben sind jedoch schwierig darzustellen, genauso wie der sanfte Übergang von einer zur anderen Farbe. Ein Mikrocontroller (MCU) lässt sich jedoch so programmieren, dass er als Slider fungiert und die meisten Farben erzeugt oder das CIE-1931-Farbraumdiagramm (Bild 1) abdeckt.

Eine Funktion des Diagramms besagt, dass bei der direkten Verbindung zweier Farben und dem Mischen dieser Farben mit unterschiedlichen Farbmengen, jede Farbe entlang dieser Linie erzeugt wird. Deshalb kommt in blauen LEDs gelber Phosphor zum Einsatz, sodass sie weißes Licht erzeugen können.

Werden RGB-Leuchten zur Erzeugung von Farben verwendet, die auf der Farbtafel enthalten sind, liegen alle erzielbaren Farben in einem Dreieck, genannt „Maxwell’sches Dreieck“ (Bild 1, siehe Bildergalerie). Die Palette der Farben, die erzeugt werden kann, wird als Farbraum bezeichnet. Dieser ist etwas ungenau, wenn das Diagramm auf einem Computerbildschirm betrachtet wird.

Der Farbraum wird dann durch die Monitorabmessungen beschränkt. Der weiße Punkt im Zentrum ist sehr klein, und die Fähigkeit, reines weißes Licht zu erzeugen, ist ein Anzeichen, dass eine richtige Farbmischung durchgeführt wurde.

Die richtige Farbmischung entscheidet

Die Farbmischung lässt mit dem PIC12F1572-Prozessor von Microchip erreichen. Der Baustein enthält drei 16-Bit-PWMs (Pulsweitenmodulatoren), die eine genaue Regelung jeder RGB-LED und somit einen sanften Farbübergang – selbst bei geringer Helligkeit – ermöglichen. Über entsprechende Software können Entwickler die Farben festlegen; der Prozessor führt die erforderlichen Berechnungen durch. Ein Demo-Board hilft Entwicklern beim HSVW-Slider-Betrieb (Modus 1). HSV bezieht sich auf den Farbton (Hue), die Sättigung (Saturation) und den Wert (Value). Das W zeigt die Änderung dann, dass Weiß mit einbezogen ist. Die Konfiguration in Modus 2 bezieht einen Farbtafel-Selektor mit ein. Das Board kann über USB, eine 3V-Lithium-Knopfzelle oder eine AAAA-Batterie betrieben werden. Bild 2 zeigt das Board in HSVW-Slider-Konfiguration.

Beim Einschalten im Slider-Modus, durchläuft das Board den HSVW-Farbkreis. Nach einer bestimmten Zeit beginnen die LEDs zu blinken, um die Batterie zu schonen. Der Slider an der Kante der Platine dient zur Farbauswahl. Bild 3 zeigt den modifizierten Farbkreis, der Weiß mit enthält.

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In diesem Modus sind die Anschlüsse RA0 und RA1 in Bild 2 so konfiguriert, dass sie mit einem kapazitiven Touch-Slider arbeiten. Per Fingerdruck und Schiebebewegung ändert sich die Farbe, begrenzt auf eine eindimensionale Farbwahl. Im Modus 2 wird die gewünschte Farbe aus der dargestellten Farbtafel gewählt (Bild 1). Die Anschlüsse RA0 und RA1 sind nun als serielle EUSART-Schnittstelle konfiguriert, und die Werte werden über USB an das Board übertragen.

Ein PIC16F1455 wandelt die USB-Nachrichten in ein EUSART-9600Baud-Format um. Dieser Modus ist in Bild 4 dargestellt. Wird eine Farbe festgelegt, die nicht in die Farbskala der LEDs fällt, erfolgt eine Fehlermeldung und die Farbausgabe wird nicht aktualisiert. Befindet sich die gewählte Farbe im Farbraum, wird die neue Farbe angezeigt.

Erforderliche Einstellung der Widerstände

Die Widerstandswerte müssen so eingestellt werden, dass jede Farbe mit der gleichen Lichtausbeute (Lumen) anzeigt wird. Für diese Demonstration wurden sie mit 202 Ω für Rot, 325 Ω für Grün und 61 Ω für Blau berechnet. Jeder LED-Farbwert wurde mit einem Chroma-Meter gemessen. Die Lichtstärke kann auch aufgrund der Temperatur abweichen. Diese Änderungen können je nach LED-Typ sehr groß sein. In der Endanwendung, vor allem in Außenbereichen, muss dies berücksichtigt werden.

Das menschliche Auge kann Flimmern bei ca. 200 Hz wahrnehmen. Intermodulation kann auch bei 50- und 60Hz-Beleuchtungen auftreten. Daher wird empfohlen, dass LED-Beleuchtungen bei über 200 Hz schalten. Die PWM-Peripherie im PIC12F1572 schaltet wesentlich schneller, wodurch Flimmern nicht erkannt wird.

Eine PWM verändert die Zeitspanne beim Einschalten einer Last. Das Verhältnis der Einschaltzeit zur PWM-Periode wird Tastgrad (Duty Cycle) genannt und entspricht dem Prozentsatz an Leistung, der an die Last geliefert wird. Die Leistungssteuerung über eine PWM ist gängige Praxis und eine effiziente Art, die Ausgangsleistung zu regeln.

Verschiedene Farben der Farbtafel

Das Board demonstriert verschiedene Farben der Farbtafel. Diese werden in RGB-Werte umgewandelt, die gemischt werden, um die resultierende Farbe darzustellen. Der Tastgrad oder die Helligkeit der Einzel-LEDs mit den Farben rot, grün und blau wird durch die PWM-Peripherie geregelt. Jede einzelne PWM bietet 16 Bit Auflösung, was einen weichen Farbübergang selbst bei niedrigem Tastgrad ermöglicht.

Die Software ist so strukturiert, dass serielle Nachrichten empfangen werden, und die Daten zum Aufruf der ColorMix-Routine verwendet werden. Dies ist rechenintensiv und dauert in etwa 7,7 ms (bei 16 MHz Oszillator-Takt), um die PWM-Werte bereitzustellen. Wird diese Routine dazu verwendet, die Farbänderungen kontinuierlich zu berechnen, verlangsamt sich die Auffrischrate auf 130 Hz, was den weichen Farbübergang beeinträchtigen würde.

Die ColorMix-Routine wurde in C entwickelt. Die PIC-MCU führt die Matrixinversion, Multiplikation und Skalierung durch, um die gewünschte Farbe zu erzeugen. Alle Berechnungen erfolgen ganzzahlig (Integer). Die Skalierung erfolgt durchgängig, damit die Werte keinen Overflow beim 32-Bit-weiten Variablentyp verursachen.

Hardwarekonfiguration und Fazit

Das Demo-Board ist ab Werk für den Slider-Modus konfiguriert und programmiert. Um das Board in diesem Modus zu betreiben, muss der PIC12F1572 mit der RGBSlider Software programmiert und der PIC16F1455 muss gelöscht werden.

Um das Board im Farbtafel-Selektor-Modus zu betreiben, muss der PIC12F1572 mit der RGBChroma Software und der PIC16F1455 mit der RGBChroma USB Software programmiert werden.

Mit der zunehmenden Verbreitung von LEDs in den Bereichen Digital Signage und anderer Werbemittel, ist eine exakte Farbwiedergabe für die Markenerkennung erforderlich. Ein Demo-Board mit den Prozessoren PIC12F1572 und PIC16F1455 hilft beim Verständnis, wie Farben richtig gemischt werden und wie die richtige Farbmischung berechnet werden kann.

* Brian Tompson und Stephen Allen sind Hardware Engineers bei Microchip

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