Dioda RGB ze wspólną katodą

Jeżeli najdłuższa nóżka diody jest katodą, to pozostałe muszą być anodami. Pierwsza z nich odpowiada za emitowanie światła czerwonego (R, z ang. red), trzecia – zielonego (G, z ang. green), a czwarta – niebieskiego (B, z ang. blue). Może się też zdarzyć, że ustawienie anod jest inne. W takiej sytuacji pierwsza z nich odpowiada za kolor czerwony, trzecia za niebieski, a czwarta za zielony (tak właśnie jest w przypadku diody, którą będziemy się posługiwać).

Rx8qLSwhW5ZVy

Zdjęcie przedstawia diodę RGB ze wspólną katodą. Dioda składa się z małej żarówki oraz z czterech nóżek. Pierwsza, trzecia i czwarta są anodami i odpowiadają za emitowanie światła o konkretnym kolorze, są one podobnej długości. Druga nóżka od lewej jest najdłuższa i jest katodą.

Dioda RGB jest bardzo ciekawym urządzeniem – może emitować światło o każdej barwie. Dzieje się tak, ponieważ w diodzie wbudowano trzy chipy; każdy z nich jest zasilany osobno. Jeżeli przez wszystkie anody popłynie taki sam prąd, to jednocześnie zostanie włączone światło czerwone, zielone i niebieskie. Po zmieszaniu tych barw otrzymamy kolor biały. Jeżeli natomiast zasilimy jedynie pierwszy chip, to dioda będzie świeciła tylko na czerwono. Można to regulować zarówno sprzętowo, jak i programowo.

Przy zakupie diody RGB warto pamiętać, gdzie ją nabyliśmy lub wziąć notę katalogową. Jest to istotne podczas obliczania, jakie rezystory są nam potrzebne. W przypadku diody, której używamy, parametry pracy to:

• kolor czerwony:  prąd 25 mA, napięcie 2 V;

• kolor zielony: prąd 25 mA, napięcie 3,5 V;

• kolor niebieski: prąd 25 mA, napięcie 3,5 V.

Obliczamy rezystancję, korzystając z prawa Ohma lub z kalkulatora rezystorów. Oczywiście napięcie zasilania to 5 V. Potrzebne nam będą następujące rezystory: 120 Ωomega dla koloru czerwonego oraz dwa po 62 Ωomega dla barw zielonej i niebieskiej.

Jeżeli będziemy włączać światło białe, czerwone, zielone lub niebieskie, to nie ma znaczenia, z których pinów płytki Arduino skorzystamy. Gdy jednak chcemy uzyskać kolory pośrednie, używamy pinów o numerach, przy których umieszczono oznaczenie „~” (tylda). Są to piny PWM (z ang. Pulse Width Modulation), czyli umożliwiające modulowanie szerokości impulsu.

Zatrzymajmy się na chwilę. W schemacie barw RGB składowe mogą przyjmować wartości z zakresu 0–255. Załóżmy, że składowe mają wartości: 255, 0, 0. W efekcie uzyskamy kolor czerwony. Przyjmując: 0, 255, 0, otrzymamy kolor zielony. Analogicznie postępujemy z kolorem niebieskim, który uzyskamy, zakładając wartości: 0, 0, 255. Gdybyśmy wszystkie składowe ustawili na 0, otrzymalibyśmy kolor czarny. Natomiast trzy składowe o wartości 255 dałyby kolor biały.

Jak to się odnosi do pinów PWM? Cechą charakteryzującą sygnał PWM jest współczynnik wypełnienia. Opisuje on, jaką część sygnału stanowi stan niski, a jaką wysoki. Stan niski odpowiada składowej RGB o wartości 0, a stan wysoki – składowej równej 255. Nie zamieścimy tu żadnego wzoru, lecz narysujemy impulsy.

Jeżeli impuls złożony jest w 100% ze stanu wysokiego, czyli składowa koloru wynosi 255, to dioda świeci pełnią blasku. Każda zmiana stanu procentowego na niższy powoduje słabsze świecenie diody. Otrzymujemy więc zupełnie inny kolor światła. W rezultacie jesteśmy w stanie sterować barwą światła emitowanego przez diodę RGB.

Rlob1OA5rexQN

Ilustracja przedstawia trzy wykresy umieszczone jeden pod drugim. Wykres pierwszy. Tytuł: „pełne wypełnienie – 100% mocy analogWrite(255)”. Wykres składa się z poziomej nieopisanej osi oraz z osi pionowej opisanej od 0 V do 5 V. Płaszczyzna wykresu podzielona jest na równe prostokąty pionowymi liniami. Na poziomie 5 V narysowano czerwoną pionową linię. Wykres drugi. Tytuł: „połowa wypełnienia – 50% mocy analogWrite(127)”. Wykres składa się z poziomej nieopisanej osi oraz z osi pionowej opisanej od 0 V do 5 V. Płaszczyzna wykresu podzielona jest na równe prostokąty pionowymi liniami. Zaczynając od pionowej osi, na płaszczyźnie narysowano pionowo ustawione czerwone prostokąty po prawej stronie każdej pionowej linii wraz z osią. Prostokąty mają wysokość 5 V i długość będącą połową odległości między pionowymi liniami. Wykres trzeci. Tytuł: „jedna czwarta wypełnienie – 25% mocy analogWrite(64)”. Wykres składa się z poziomej nieopisanej osi oraz z osi pionowej opisanej od 0 V do 5 V. Płaszczyzna wykresu podzielona jest na równe prostokąty pionowymi liniami. Zaczynając od pionowej osi, na płaszczyźnie narysowano pionowo ustawione czerwone prostokąty po prawej stronie każdej pionowej linii wraz z osią. Prostokąty mają wysokość 5 V i długość będącą ćwiartką odległości między pionowymi liniami.

Zobaczmy, jak schemat RGB działa w przypadku monitora. Użyjemy wartości, które zostały pokazane na rysunku powyżej, przy założeniu, że schemat dotyczy tylko pierwszego chipu, odpowiedzialnego za barwę czerwoną.

R1PaEtqCeMcl6

Ilustracja przedstawia ustawione obok siebie trzy koła równej wielkości. Pierwsze koło od lewej jest wypełnione czerwonym kolorem. Nagłówek: "100% koloru (255)", drugie koło jest bladoczerwone, nagłówek nad drugim kołem: "50% koloru (127)". Trzecie koło jest najjaśniejsze, nagłówek nad trzecim kołem: "25% koloru (63)"

Skoro wiemy, że jaskrawością koloru można sterować, a poszczególne kolory możemy wygaszać, zobaczmy, jak wygląda mieszanie barw przy zadanych wartościach. Podane wartości są przykładowe i można przyjąć dowolną – mniejszą lub większą.

R1X27wBVCxzK5

Ilustracja składa się z prezentacji zmiany natężenia trzech kolorów: czerwonego, niebieskiego i zielonego. W kolejnych wierszach umieszczonych po pięć kół, przy czym od lewej są najciemniejsze i im bardziej w prawo, tym jaśniejszy kolor koła. Nagłówki dla każdej z pięciu kolumn są następujące od lewej: 100% koloru (255), 75% koloru (191), 50% koloru (127), 25% koloru (63), 0% koloru (0). Dodatkowo połączono ze sobą trzema różnymi liniami pewne koła, uzyskując konkretne barwy, które umieszczono w ostatnim wierszu, pod zmianą natężeń kolorów. Pierwszy uzyskany kolor (jasny brąz) to RGB 191, 127, 0. Składa się on z: czerwonego 75% (191), z niebieskiego 50% (127), z zielonego 0% (0). Drugi uzyskany kolor (zieleń) to RGB 0, 255, 127. Składa się on z: czerwonego 0% (0), niebieskiego 100% (255), zielonego 50% (127). Trzeci uzyskany kolor (niebieski) to RGB 63, 127, 191. Składa się on z: czerwonego 25% (63), niebieskiego 50% (127), zielonego 75% (191).

Budowa układu do sterowania diodą RGB ze wspólną katodą

Znając sposób działania diod, możemy narysować prosty schemat podłączenia jednej diody RGB ze wspólną katodą do płytki Arduino Uno.

RdiwQ8TpiwCsn

Schemat przedstawia płytkę Arduino UNO i połączone z nią diody. Płytka Arduino przedstawiona jest na schemacie jako pionowo ustawiony prostokąt z pinami przy obu dłuższych pionowych bokach. Piny z lewej to od góry: IOREF, RESET, 3.3V, 5V, GND, GND, VIN, przerwa, A0, A1, A2, A3, A4, A5. Piny z prawej to od góry: AREF, GND, 13, 12, ~11, ~10, ~9, 8, przerwa, 7, ~6, ~5, 4, ~3, 2, TX-1, RX-0. Połączenia w schemacie składają się z łamanych złożonych z odcinków poziomych i pionowych, łączących odpowiednie piny. Na pionowych odcinkach składowych każdego połączenia narysowano od góry cienki prostokąt symbolizujący rezystor, obok którego napisano od lewej: 120 omów, 62 omy, 62 omy. Poniżej znajduje się trójkąt z ukośnymi równoległymi strzałkami po lewej stronie. Trójkąt ustawiony jest podstawą do góry, a naprzeciw podstawy, przy wierzchołku dolnym, znajduje się poziomy odcinek o takiej długości, jak podstawa trójkąta. Znak trójkąta ze strzałkami i z poziomym odcinkiem symbolizuje diodę świecącą LED. Obok każdego takiego połączenia umieszczono podpis. Od lewej mamy: „LED (R)” lub „LED (G)” lub „LED (B)”. Połączenia w schemacie są następujące: masa (GND) z płytki Arduino z ujemną szyną płytki stykowej, piny 9., 10. i 11. z płytką stykową.

Etapy podłączenia diody do Arduino

1. Wpinamy diodę tak, aby każda nóżka znalazła się w innym wierszu szyny danych płytki stykowej.

2. Katodę łączymy bezpośrednio (lub przez szynę ujemną, jeżeli tak będzie wygodniej) z pinem GND płytki Arduino.

3. Pierwszą anodę łączymy przez rezystor (120 Ωomega) z pinem 9., drugą (czyli trzecią nóżkę) przez rezystor 62 Ωomega z pinem 10., a ostatnią, również przez rezystor 62 Ωomega, z pinem 11. W naszym przykładzie zamieniliśmy miejscami dwa ostatnie połączenia, ponieważ w naszej diodzie kolory są ułożone następująco: czerwony, niebieski, zielony.

R1CcBQKRvq7nL

Zdjęcie przedstawia płytkę stykową z podłączonymi przewodami, z wpiętymi trzema rezystorami oraz z wpiętą diodą RGB w taki sposób, że nóżki rezystorów są w tych samych wierszach, co anody.

Podłączamy płytkę Arduino do komputera. Następnie uruchamiamy aplikację Arduino IDE i tworzymy nowy szkic. Zapisujemy go na przykład pod nazwą rgb_katoda. Najpierw sprawdzimy, jak działa dioda. Nieco później spróbujemy sterować szerokością impulsu.

Programowanie układu

1. Deklarujemy zmienne, czyli piny, do których podłączone są poszczególne anody. Przyjęliśmy nazwy angielskie, pochodzące od składowych RGB, ale można zastosować polskie.

int RedPin = 9;
int BluePin = 10;
int GreenPin = 11;

2. W ciele funkcji setup() ustalamy, że wszystkie piny są wyjściami.

void setup() {
	pinMode(RedPin, OUTPUT);
	pinMode(GreenPin, OUTPUT);
	pinMode(BluePin, OUTPUT);
}

3. Wewnątrz funkcji loop() włączamy kolor czerwony. Aby dioda świeciła tylko tą barwą, dla pozostałych należy wyłączyć napięcie. Warto też określić opóźnienie.

void loop() {
	digitalWrite(RedPin, HIGH);
	digitalWrite(GreenPin, LOW);
	digitalWrite(BluePin, LOW);
	delay(1000);
}

4. W taki sam sposób włączamy kolejne dwa kolory.

digitalWrite(RedPin, LOW);
digitalWrite(GreenPin, HIGH);
digitalWrite(BluePin, LOW);
delay(1000);
  
digitalWrite(RedPin, LOW);
digitalWrite(GreenPin, LOW);
digitalWrite(BluePin, HIGH);
delay(1000);

5. Możemy włączyć wszystkie kolory jednocześnie, aby uzyskać białe światło.

digitalWrite(RedPin, HIGH);
digitalWrite(GreenPin, HIGH);
digitalWrite(BluePin, HIGH);
delay(1000);

6. Następnie wymieszamy kolor czerwony z niebieskim, a wyłączymy barwę zieloną.

digitalWrite(RedPin, HIGH);
digitalWrite(GreenPin, LOW);
digitalWrite(BluePin, HIGH);
delay(1000);

7. Zmieszamy kolor czerwony z zielonym; niebieski w tym czasie ma być wyłączony.

digitalWrite(RedPin, HIGH);
digitalWrite(GreenPin, HIGH);
digitalWrite(BluePin, LOW);
delay(1000);

8. Wreszcie wyłączymy kolor czerwony, a zielony zmieszamy z niebieskim.

digitalWrite(RedPin, LOW);
digitalWrite(GreenPin, HIGH);
digitalWrite(BluePin, HIGH);
delay(1000);

9. Weryfikujemy poprawność kodu, a następnie przesyłamy szkic do płytki.

Kolory powinny zmieniać się w podanej wyżej kolejności. Najlepiej widać to, gdy patrzymy na diodę z góry, a nie z boku. Pamiętaj jednak, że napięcie, które otrzymują poszczególne chipy, jest maksymalne i dioda świeci pełnią blasku. Nie wpatruj się w nią zatem zbyt długo, ponieważ naprawdę bardzo razi w oczy.