Die Statusleuchte am Router wechselt von Grün auf Orange, die Tastatur leuchtet in allen Farben, hinter dem Fernseher zieht sich ein LED-Streifen, dessen Farbe du per App wählst. Möglich macht das ein einfacher Trick: Drei LEDs in Rot, Grün und Blau sitzen so eng beieinander, dass das Auge ihr Licht als eine einzige Farbe wahrnimmt. Je nachdem, wie hell jede der drei leuchtet, entsteht Gelb, Türkis, Violett oder Weiß. Es gibt diese RGB-LEDs in zwei grundverschiedenen Ausführungen: als „dumme“ Dreifach-LED, deren Farben du selbst ansteuerst, und als adressierbare LED mit eingebautem Steuerchip.
Aufbau und Funktionsweise
In einem Gehäuse liegen drei LED-Chips aus unterschiedlichen Halbleitern: ein roter aus AlGaInP und ein grüner und ein blauer aus InGaN. Warum die Materialien verschiedene Farben erzeugen, erklärt Optoelektronik. Ein diffuses Gehäuse oder ein Streuschirm mischt das Licht, damit du keine drei Punkte siehst.
Die Farben mischen sich additiv: Rot und Grün ergeben Gelb, Grün und Blau Cyan, Blau und Rot Magenta, alle drei zusammen Weiß. Die Zwischentöne entstehen über die Helligkeit jedes Kanals, die man fast immer per Pulsweitenmodulation (PWM) einstellt. Mit 8 Bit je Kanal, also 256 Stufen, ergeben sich 2563 ≈ 16,7 Millionen Kombinationen.
Ein gutes Weiß ist allerdings schwer: Rot, Grün und Blau sind schmalbandig, die Lücken im Spektrum lassen Gegenstände unter RGB-Weiß blasser wirken als unter einer weißen Leuchtstoff-LED. Deshalb gibt es auch RGBW-Varianten mit einem vierten, weißen Chip.
Klassische RGB-LED mit vier Anschlüssen
Die einfache RGB-LED hat vier Beine: drei für die Farben und einen gemeinsamen Anschluss, meist das längste Bein. Es gibt sie in zwei Varianten:
- gemeinsame Kathode: Der gemeinsame Anschluss geht an Masse, die Farben schaltest du mit positiver Spannung ein – praktisch an einem Mikrocontroller, dessen Pin auf High die LED einschaltet.
- gemeinsame Anode: Der gemeinsame Anschluss liegt an Plus, eine Farbe leuchtet, wenn ihr Pin auf Low geht. Die Logik ist dann invertiert.
Welche Variante du vor dir hast, steht im Datenblatt; ausprobieren kannst du es mit 5 V und 1 kΩ. Die Schaltzeichen sind drei normale LED-Symbole, die an einem Ende verbunden sind.
Drei Kanäle, drei Widerstände
Weil der rote Chip eine viel niedrigere Flussspannung hat als der grüne und der blaue, braucht jede Farbe ihren eigenen Vorwiderstand – und zwar in der einzeln geschalteten Leitung, nicht im gemeinsamen Anschluss. Warum, erklärt Vorwiderstand vor oder nach der LED?.
Die Widerstände kannst du auch mit dem LED-Vorwiderstand-Rechner bestimmen. Gleiche Ströme bedeuten übrigens nicht gleiche Helligkeit: Das Auge ist für Grün am empfindlichsten, Blau wirkt bei gleichem Strom am dunkelsten (siehe Lichtstrom). Für ein neutrales Weiß regelst du deshalb Grün meist etwas herunter – in der Software oder über einen größeren Widerstand.
Adressierbare LEDs
Bei einer adressierbaren LED steckt neben den drei Chips ein kleiner Steuer-IC im Gehäuse. Er enthält für jede Farbe eine Konstantstromquelle und einen PWM-Generator und empfängt die Farbwerte über eine Datenleitung. Am bekanntesten ist die WS2812B im 5×5-mm-Gehäuse („5050“), auch unter dem Namen NeoPixel verbreitet. Sie hat nur vier Anschlüsse: 5 V, Masse, Daten ein (DIN) und Daten aus (DOUT).
Die LEDs werden in einer Kette verbunden: DOUT der einen an DIN der nächsten. Der Mikrocontroller schickt einen langen Bitstrom; jede LED nimmt sich die ersten 24 Bit (je 8 Bit für Grün, Rot und Blau, in dieser Reihenfolge), schickt den Rest weiter und übernimmt die neuen Werte, wenn die Leitung eine Weile ruhig bleibt. Einen Vorwiderstand für die LED-Chips brauchst du nicht – die Stromquellen im IC übernehmen das, wie unter LED ohne Vorwiderstand beschrieben.
| Kennwert | WS2812B (5050) |
|---|---|
| Versorgung | 5 V (je nach Version ab etwa 3,5 V spezifiziert) |
| Strom je Farbe | etwa 12–16 mA, je nach Version |
| Datenrate | 800 kbit/s, ein Bit dauert 1,25 µs |
| Daten pro LED | 24 Bit (GRB) |
| Reset (Übernahme) | Leitung low, ab 50 µs, bei neueren Versionen ab 280 µs |
| Eingang High | ab 0,7 · Versorgungsspannung |
Verwandte Typen: Die SK6812 ist weitgehend kompatibel und auch als RGBW erhältlich. Die APA102 und ihre Nachfolger nutzen eine Takt- und eine Datenleitung wie SPI; dadurch ist das Timing unkritisch, die Daten laufen deutlich schneller, und die PWM-Frequenz ist so hoch, dass auch Kameras kein Flimmern sehen.
Typische Schaltung mit WS2812B
Drei Details machen den Unterschied zwischen „läuft“ und „flackert zufällig“:
- Pegelwandler: Bei 5 V Versorgung erwartet der Dateneingang mindestens 0,7 · 5 V = 3,5 V als High. Ein 3,3-V-Controller liegt darunter und funktioniert nur mit Glück. Ein Puffer der Familie 74AHCT oder 74HCT, aus 5 V versorgt, erkennt 3,3 V sicher und gibt volle 5 V aus. Mehr zu Pegeln unter Logikfamilien.
- Serienwiderstand: Einige hundert Ohm direkt vor dem ersten DIN dämpfen Reflexionen auf der Leitung und schützen den Eingang, wenn die LED-Versorgung noch fehlt.
- Pufferkondensator: Ein Elko von einigen hundert bis 1000 µF an der Einspeisung fängt die Stromspitzen ab, wenn viele LEDs gleichzeitig einschalten.
Bei langen Streifen fällt auf den dünnen Kupferbahnen so viel Spannung ab, dass die LEDs am Ende gelblich statt weiß leuchten. Speise deshalb alle ein bis zwei Meter erneut ein und bemiss die Zuleitungen nach dem Strom – mit dem Rechner Spannungsfall auf Leitungen und den Hinweisen unter Leitungen dimensionieren.
Auswahl und Praxistipps
Für eine einzelne Farb-Statusanzeige ist eine klassische RGB-LED mit drei PWM-Pins einfach und billig. Sobald es mehr als zwei oder drei Stück werden, sparen adressierbare LEDs Pins, Widerstände und Leiterbahnen. Für Kameras oder schnelle Effekte lohnt sich die APA102-Familie.
Häufige Fehler:
- Gemeinsame Anode und Kathode verwechselt: Die LED bleibt dunkel oder die Logik ist invertiert. Ein Blick ins Datenblatt vor dem Layout spart eine neue Platine.
- Ein Widerstand für alle Farben: Rot zieht den Großteil des Stroms, Grün und Blau bleiben dunkel.
- WS2812B direkt an 3,3 V Logik und 5 V Versorgung: funktioniert auf dem Tisch, versagt bei Kälte oder einem anderen Los. Pegelwandler einplanen.
- Netzteil nach Durchschnitt statt Maximum bemessen: Ein Programmfehler, der alle LEDs auf Weiß setzt, darf das Netzteil nicht überlasten. Begrenze die Helligkeit in der Software oder dimensioniere für den Vollausschlag.
- Helligkeit linear gerechnet: Das Auge empfindet Helligkeit nicht linear. Ein Gamma-Ausgleich in der Software (etwa mit einer Tabelle) sorgt für gleichmäßige Übergänge beim Dimmen.
Selbsttest
Warum braucht jede Farbe einer klassischen RGB-LED einen eigenen Vorwiderstand?
Die Flussspannungen unterscheiden sich stark (Rot etwa 2 V, Grün und Blau etwa 3 V); an einem gemeinsamen Widerstand würde Rot fast den ganzen Strom ziehen.
Welche Widerstände brauchst du für eine RGB-LED mit gemeinsamer Kathode an 12 V, wenn jede Farbe 10 mA bekommen soll (Rot 2,0 V, Grün/Blau 3,1 V)?
Rot 10 V / 10 mA = 1 kΩ; Grün und Blau 8,9 V / 10 mA = 890 Ω, gewählt 1 kΩ (8,9 mA).
Wie lange dauert es, 144 WS2812B mit neuen Farben zu versorgen?
144 · 24 · 1,25 µs ≈ 4,3 ms, dazu der Reset von 0,05 bis 0,28 ms.
Warum reicht ein 3,3-V-Signal am Dateneingang einer mit 5 V versorgten WS2812B nicht sicher aus?
Der Eingang erkennt High erst ab 0,7 · 5 V = 3,5 V.
Welchen Strom braucht ein Streifen mit 120 WS2812B bei vollem Weiß, wenn jede Farbe 12 mA zieht?
120 · 36 mA ≈ 4,3 A.