用于嵌入式系统和显示器的 RGB LED 指示灯

作者：Poornima Apte

投稿人：DigiKey 北美编辑

电子电路通常需要传递其工作状态，而指示灯就成为满足该要求的一种简单方法。在照明解决方案中，LED 灯的能耗低于传统光源。LED 灯的工作能耗低，因此这在电池电量可能非常宝贵的嵌入式系统仪器中是一种明显的优势。

如果工作时需要一个只有红、黄、绿三种颜色的基本信号系统，那么一个简单的 RYG 指示灯即可满足要求。在这种情况下，红灯表示危险或停止，而绿灯则表示所有系统都在正常运行。RYG 系统是用于基本仪表板和工业信号塔的传统解决方案。

红、绿、蓝 (RGB) LED 指示灯根据所要表示的状态亮起不同的颜色，从而实现视觉显示功能。RGB LED 指示灯提供丰富的色彩和更直观的细微信息。例如，渐变条中的温度范围需要不同深浅的颜色来表示温度高低。

此外，RGB LED 指示灯可以通过调制来显示所需的颜色，从而实现两个或三个不同指示灯的功能，因此所需的空间更小。

RGB LED 指示灯应用广泛，包括坚固机械中的显示屏、智能家居设备以及工业应用中的嵌入式系统。例如，[ APEM] [ 的 Q10/14/16/19/22 系列 RGB] （图 1）可以提供几乎无限的色彩选择，使用寿命长达 10 万小时。RGB LED 通常是现代仪器仪表的首选，因为这种产品能产生更多的色彩，同时能耗更低。

APEM 的 RGB LED 指示灯可采用脉宽调制 (PWM) 技术控制，以实现色彩斑斓的外观。（图片来源：DigiKey）

RGB LED 的工作原理

驱动器通过控制发送到 LED 的电流来控制色彩显示。它使用 8 位来表示每个通道（R、G 或 B）所需的色彩量。例如，红色通道的 8 位数值 00000000 表示最终合成中不含红色成分。由于每个 8 位数值均由 0 和 1 组合构成，每个色彩模块可呈现 2 ^8^ （即 256）个不同数值，范围为 0 至 255。

这 256 个值中的每一个值都代表着红、绿、蓝三色强度的细微变化。通过对红色、绿色和蓝色元素中的 256 个值进行不同组合的调整，电路设计师可以获得数百万种色调，具体为 256 x 256 x 256，即 1,670 万种颜色（图 2）。

图 2：映射到立方体的 RGB 颜色模型。水平 x 轴表示红色数值向左递增，y 轴表示蓝色数值向右下方递增，垂直 z 轴表示绿色数值向上方递增。位于隐藏顶点的原点对应黑色。(图片来源：SharkD，CC BY-SA 4.0；Wikimedia Commons）

例如，紫红色的 RGB 值的三个分量设置如下：R：255，G：0，B：255。与此同时，淡紫色的 RGB 值为R：223，G：255，B：0。

要让 RGB LED 指示灯显示特定的颜色，必须通过调节输送到每个颜色模块的功率来微调红、绿、蓝成分的强度。LED 的动态调光有两种方法：恒流降低 (CCR) 和脉宽调制 (PWM)。

CCR 方法通过减少发送到 LED 的电流，从而改变光输出。这种方法既简单，又有一些优点。另一方面，PWM 方法保持电流恒定，但不是持续向 LED 输送电流，而是以快速脉冲方式输送，每秒多次打开和关闭 LED。LED 发出的光强与电流接通的时间成正比，称为“占空比”。

PWM 是控制 RGB LED 指示灯的一种特别有用的技术，因为它可以对最终颜色输出进行精细控制。此外，这种技术还易于使用微控制器进行数字控制，在高电平和低电平状态之间切换输出。

RGB LED 指示灯的美学设计

如果要在电气仪表和人机界面 (HMI) 的显示屏和控制面板中使用指示灯，就需要将其与设备更充分地整合在一起。传统的双引脚 LED 通常需要固定在一个坚固的底座上，并且通常会从面板上的孔中伸出。突出的 LED 指示灯可能与设计者心目中的设备美感不符。此外，指示灯的突出部分还存在容易损坏的风险。

另一方面，面板安装式指示灯可固定在面板上，从而可以简化设计、安装。在这种情况下，边框作为安装支架，同时确保视觉美感。边框方案具有抛光质感，避免 LED 从面板外露而易受损坏。

即使在边框方案中，RGB LED 指示灯也可以采用嵌入式或突出式边框安装。齐平式边框与面板平齐，外观时尚现代。相比之下，凸起式边框的 LED 灯罩会略微高出面板表面，形成轻微隆起结构。如果需要从不同角度观察所显示的色彩，这种轻微的隆起尤其有用。这种凸起的边框安装在阳光充足的室外环境或光线刺眼的工业环境中更容易识别。如何选择边框最终取决于具体应用。在照明不良的环境下，要求指示灯更加清晰可见，因此凸起式指示灯成为更好的选择。如果设计工程师只考虑美观，那么嵌入式安装是更好的选择。

除了边框外，面板安装式指示灯在机械方面要求电路设计师确定可容纳指示灯的面板开孔。为了加快安装速度，可以采用卡扣式安装，但这种安装方式要求更精确的切割。此外，还可以通过螺纹将指示灯拧入面板，以提高安全性，尤其在容易发生剧烈振动的环境中。面板开孔的大小可能会有所不同。APEM 的 Q 系列 RGB LED 指示灯提供 10 mm、14 mm、16 mm、19 mm 或 22 mm 开孔以及齐平或突出式边框选择。

选择合适的 RGB LED 指示灯

鉴于选择多样，以下是用于为特定应用匹配合适 LED 指示灯的一些标准：

• 共阳极或共阴极：在共阳极中，红、绿、蓝三个发光器件共用一个正极（阳极）连接，而在共阴极中，则共用一个负极连接。使用共阳极和共阴极封装的 LED 驱动器需要不同的电子器件。
• 通孔安装或表面贴装：RGB LED 指示灯的安装类型
• 指示灯的尺寸和面板开孔：（如果使用面板表面安装方案）
• LED 指示灯的亮度和视角
• 额定电压和电流：需要与电路中的预期范围相匹配，以确保性能可靠
• LED 指示灯的控制方法：这些方法多种多样，包括通过微控制器使用单独的 PWM 通道，或使用驱动器集成电路，后者可实现更精细的调节。
• 环境因素：振动、冲击、灰尘和极热或极冷将决定具体应用所需的 LED 类型。

Q 系列 RGB LED 指示灯

与 RYG 产品相比，APEM 的 Q 系列提供了强 RGB 光输出和更明亮的组合式照明。该系列可提供嵌入式选择，以符合面板美学要求。Q 系列提供环氧树脂密封版本，可防止进水，这种性能在室外应用或湿度较高的室内环境中是必要的。

此外，Q 系列还提供标准、高亮和超亮版本选择。标准型适用于任何室内应用，而高亮型则适用于视角要求较高的室外应用。超亮型也是日光下可见的 LED，但视角较窄，非常适合远距离使用。

结语

RGB LED 指示灯非常适合现代电子产品，因为它们不仅能够提供清晰的视觉信号，而且能耗极低。此外，APEM_Q10/14/16/19/22 系列指示灯功能丰富，为客户提供了多种选择，几乎适用于任何需要面板指示的应用。