嵌入式系統和顯示器用 RGB LED 指示燈

電子電路常需要傳達其作業狀態，以光為基礎的指示器是一種簡單的方式。在照明解決方案中，LED 比傳統光源消耗更少的能源。LED 可以在低功率下運作，對於重視電池能量的嵌入式系統儀器而言是一大優勢。

如果僅需要紅、黃、綠三色的基本號誌系統，則使用簡單的 RYG 指示燈即可。此時，紅燈表示危險或停止，而綠燈表示所有系統均正常運作。RYG 系統提供傳統解決方案，適用於基本儀表板和工業訊號塔。

紅、綠、藍 (RGB) LED 指示燈依據想要傳達的狀態，以不同的色光進行視覺顯示。RGB LED 指示燈提供豐富的色彩和更細緻的視覺資訊。例如，以漸變顯示的溫度範圍需要不同深淺的顏色表示強度。

此外，RGB LED 指示燈可以經調變顯示預期顏色，執行二或三個不同指示燈的功能，有助於縮減空間需求。

RGB LED 指示燈適合各種應用，包括重型機械中的顯示螢幕、智慧家庭設備，以及工業應用中的嵌入式系統。例如，APEM 的 Q10/14/16/19/22 系列 RGB (圖 1) 提供幾乎無限的色彩選項，使用壽命更長達 100,000 小時。RGB LED 通常是現代儀器的首選組件，因為能夠顯示更多顏色，消耗的能量也更少。

圖 1：APEM 的 Q10/14/16/19/22 系列 RGB LED 指示燈由脈寬調變 (PWM) 控制，顯示多種色光。(圖片來源：DigiKey)

RGB LED 的工作原理

由驅動器控制發送到 LED 的電流，控制顯示的顏色。此驅動器使用 8 位元代表每個通道 (R、G、B) 所需的顏色量。例如，若紅光通道中的 8 位元為 00000000，則代表最終的合成不會有紅色成分。每個 8 位元都是 0 和 1 的組合，因此每個顏色模型可以有 2⁸ (即 256) 個值，從 0 到 255。

這 256 個值中的每一個值都代表紅、綠、藍光在強度上的極輕微的不同。藉由調整紅、綠、藍元素中的這 256 個值產生不同的組合，電路設計人員可以獲得數百萬種色調，實際上是 256 x 256 x 256，即 1670 萬種顏色 (圖 2)。

圖 2：對應至立方體的 RGB 顏色模型。水平 x 軸代表向左增加的紅光值，y 軸表示向右下方增加的藍光值，垂直 z 軸表示向上增加的綠光值。原點為黑色，是不在視野中的頂點。(圖片來源：SharkD，CC BY-SA 4.0；維基共享資源)

例如，紫紅光的 RGB 值的三個成分設定為 R：255、G：0、B：255。而黃綠光的 RGB 值為 R：223、G：255、B：0。

若要讓 RGB LED 指示燈顯示特定的色光，必須控制傳送到各顏色模型的功率，以便微調紅、綠、藍成分的強度。動態調光 LED 有兩種方式：恆定電流減少 (CCR) 和脈寬調變 (PWM)。

CCR 方法藉由減少傳送到 LED 的電流，改變光輸出。此方法簡單且有些優點。另一方面，PWM 方法保持電流量恆定，但不會向 LED 傳送連續電流，而是傳送快速脈衝，每秒多次開啟和關閉 LED。LED 的光強度與電流導通的時間比例成正比，稱為「工作週期 (duty cycle)」。

PWM 是控制 RGB LED 指示燈時十分實用的技術，可以對最終輸出色光進行精細控制。此外，採用 PWM 可以使用微控制器輕鬆進行數位控制，將輸出在高低狀態之間切換。

RGB LED 指示燈的美學

如果要在電子儀器和人機介面(HMI) 的顯示器和控制面板中使用指示燈，則需要與裝置進行更完整的整合。傳統的雙引腳 LED 通常需要堅固的底座進行固定，且指示燈通常會伸出面板的孔洞。突出的 LED 指示燈可能不符合設計人員所設想的設備美感。此外，突出物也容易受到損壞。

另一方面，將指示燈鎖在面板上，能更容易進行設計和安裝。如此一來，邊框既可以用於安裝，而且還很美觀。邊框提供拋光外觀，而不會讓 LED 從面板突出導致容易受損。

除此之外，RGB LED 指示燈也可以採用齊平邊框安裝或凸起邊框安裝。齊平的邊框與面板對齊，呈現時尚且現代的外觀。凸起或較高的邊框則有一個略微突於表面的 LED 蓋。如果需要從各個角度觀看顯示器，這種輕微的凸起就很實用。在陽光充足的戶外環境或光線刺眼的工業環境中，凸起的邊框安裝座更容易辨識。邊框樣式的選擇取決於最終應用。惡劣的照明環境需要更容易看到的指示燈，因此更適合選用凸起版本。如果設計工程師只重視美觀，那麼就可選擇齊平安裝。

除了邊框之外，面板安裝指示燈的安裝機制還要求電路設計人員決定合適的面板開孔。開孔內可以採用扣入式安裝，達到更快速安裝，不過扣入式安裝需要更精準的切割。此外，還可以使用螺帽將指示燈拴入面板以提高安全性，特別是在容易有高振動的環境中。面板開孔的尺寸可能有所不同。APEM 的 Q 系列 RGB LED 指示燈提供 10、14、16、19、22 mm 開孔，並具有齊平和凸起的邊框。

選擇合適的 RGB LED 指示燈

鑑於各種選擇，以下提供一些標準，為特定應用匹配合適的 LED 指示燈：

• 共陽極或共陰極：在共陽極中，紅、綠、藍三個組件共用一個正極 (陽極) 連接，在共陰極中，則共用一個負極連接。採用共陽極或共陰極封裝的 LED 驅動器，需要不同的電子組件。
• 通孔或表面黏著：RGB LED 指示燈的安裝類型
• 指示燈和面板開孔的尺寸：(如果使用面板表面黏著選項)
• LED 指示燈的亮度和視角
• 電壓和電流額定值：需要與電路的預期範圍相匹配，以確保達到可靠效能
• LED 指示燈的控制方法：這些方法可以透過微控制器使用單獨的 PWM 通道或驅動器積體電路實作，後者可提供更精細的調整選項。
• 環境考量：振動、衝擊、灰塵，以及極端的熱或冷等環境因素，將決定特定應用所需的 LED 類型。

Q 系列 RGB LED 指示燈

APEM 的 Q 系列提供組合照明，具有強烈的 RGB 光輸出和更明亮的照明 (與 RYG 選項相比)。 提供內凹選項，以適應面板的美觀。Q 系列具有環氧樹脂密封選項，可防止水侵入，這在戶外應用或高濕度的室內環境中是必要條件。

此外，Q 系列還提供標準型、高亮度、超高亮度選項。標準型適用於任何室內應用，高亮度則適用於戶外應用，提供寬廣視角。超高亮度也是日光可見 LED，但視角較窄，非常適合遠距離使用。

結論

RGB LED 指示燈非常適合現代電子產品，在傳遞視覺訊號時會消耗最少能量。此外，APEM_Q10/14/16/19/22系列指示燈有豐富的特點，為客戶提供各種選擇，可以滿足幾乎所有應用的面板指示需求。