組み込みシステムおよびディスプレイ用RGB LEDインジケータ

電子回路は、その動作状態を知らせる必要がある場合が多く、光によるインジケータは、そのための簡単な方法です。照明ソリューションの中でも、LEDは従来の光源よりも消費電力が少なくなっています。低電力で動作できるため、バッテリエネルギーが重要な組み込みシステムの計測機器に最適です。

赤、黄、緑の3色のみのシンプルな伝達システムが必要な場合は、単純なRYGインジケータが適しています。この場合、赤は危険または停止を、緑はすべてのシステムが正常に動作していることを示します。RYGシステムは、基本的なダッシュボードや産業用信号灯で昔から使用されてきたソリューションです。

赤、緑、青（RGB）のLEDインジケータは、伝えたい状態に応じて異なる色で点灯し、視覚的な表示機能を果たします。RGB LEDインジケータは、豊富な色パレットと、より視覚的に微妙な情報を提供します。たとえば、温度のグラデーションバーでは、強度を示すためにさまざまな色の濃淡を変化させる必要があります。

さらに、RGB LEDインジケータは、変調により希望の色を表示することで、2つまたは3つの異なるインジケータの機能を兼ね備えることができ、その結果、スペースの節約が可能です。

RGB LEDインジケータは、堅牢な機械のディスプレイ画面、スマートホーム機器、産業用アプリケーションの組み込みシステムなど、さまざまなアプリケーションで採用されています。たとえば、APEMのQ10/14/16/19/22シリーズRGB （図1）は、100,000時間の寿命でほぼ無限の色オプションを提供します。RGB LEDは、より多くの色を再現できる一方で消費電力が低いことから、最新の計測機器の主要コンポーネントとして選択されています。

図1：APEMのQ10/14/16/19/22シリーズRGB LEDインジケータは、パルス幅変調（PWM）により制御され、多色表示を実現します。（画像提供：DigiKey）。

RGB LEDの仕組み

ドライバは、LEDに送られる電流を制御することで、色表示を制御します。各チャンネル（R、G、B）で希望する色の量を8ビットで表します。たとえば、赤チャンネルの8ビット表現00000000は、最終的な表示に赤が含まれないことを意味します。各8ビット表現は0と1の組み合わせであるため、各色モジュールは0から255までの2⁸または256の異なる値を持つことができます。

これらの256の値はそれぞれ、赤、緑、青の色の強さの非常に微妙な変化を表します。赤、緑、青の各要素の256の値を異なる組み合わせで調整することで、回路設計者は何百万もの色合い、具体的には256 × 256 × 256、つまり1670万色（図2）を得ることができます。

図2：RGB色モデルを立方体にマッピングした図です。水平のX軸は赤の値が左方向に増加し、Y軸は青の値が右下方向側に増加します。垂直のZ軸は緑の値が上方向に増加します。原点である黒は、視界から離れた頂点です。（画像提供：SharkD, CC BY-SA 4.0; Wikimedia Commons）

たとえば、フクシア色のRGB値は、3つの成分に対して次のように設定されます。R：255、G：0、B：255。一方、シャルトルーズのRGB値は次のようになります。R：223、G：255、B：0。

RGB LEDインジケータに特定の色を表示させるには、各色モジュールに供給される電力を調整して、赤、緑、青の各成分の強度を微調整する必要があります。LEDを動的に調光する方法には、定電流減衰（CCR）とパルス幅変調（PWM）の2つがあります。

CCR方式は、LEDに流れる電流を減少させることで、光出力を変化させます。この方法はシンプルで、いくつかの利点があります。一方、PWM方式では、電流量は一定に保ちますが、LEDに電流を継続的に送るのではなく、高速なパルスで送ることで、LEDを1秒間に何度もオン/オフします。その結果、LEDの光強度は、電流がオンになっている時間の割合（デューティサイクル）に比例します。

PWMは、最終的な色出力を細かく制御できるため、RGB LEDインジケータの制御において特に有用な技術です。さらに、PWMは出力をハイとローの状態間で切り替えるマイクロコントローラを使用したデジタル制御に容易に適応します。

RGB LEDインジケータの美学

インジケータが電気計器のディスプレイや制御パネル、ヒューマンマシンインターフェース（HMI）に組み込まれる場合、デバイスとより完全に統合する必要があります。従来の2ピンLEDは通常、それを固定するための固いベースが必要で、インジケータはパネルの穴から突出することが多くなります。突出したLEDインジケータは、設計者が想定するユニットの美観と一致しないかもしれません。さらに、突出部分は破損しやすいリスクがあります。

一方、パネルマウント型インジケータはパネルに固定されるため、設計や取り付けが大幅に簡素化されます。このような場合、ベゼルが取り付け機構として機能し、美観にも優れています。ベゼルオプションは、LEDがパネルから突出していて損傷を受けやすい状態を回避し、洗練された外観を提供します。

ベゼルのオプション内でも、RGB LEDインジケータは平面型ベゼルマウントまたは、突出型ベゼルマウントを選択できます。平面型ベゼルは、パネルにぴったりと密着し、洗練されたモダンな外観を実現しています。一方、突出型ベゼルや隆起型ベゼルには、表面からわずかに突出しているLEDキャップが付いています。このようなわずかな突起は、ディスプレイをさまざまな角度から見る必要がある場合に特に便利です。突出したベゼルマウントは、日差しの強い屋外環境や照明が明るい産業環境でも識別しやすくなっています。ベゼルの選択は最終的にはアプリケーションによって決まります。過酷な照明環境では、より見やすいインジケータが必要となるため、突出したタイプの方が適しています。設計技術者が美観のみを考慮する場合、平面型マウントの方が適しています。

ベゼルに加えて、パネルマウントインジケータの取り付け機構では、回路設計者がインジケータを取り付けるパネルの加工穴を決定する必要があります。加工穴は、取り付けを迅速に行うためにスナップフィットとすることができますが、スナップフィットではより正確な加工穴が必要となります。ナットを使用することにより、パネルにインジケータをねじ込むことでより高い安全性を実現できます。特に高振動環境ではこの方法が有効です。パネルの加工穴サイズは、用途に応じて異なります。APEMのQシリーズRGB LEDインジケータは、10mm、14mm、16mm、19mm、22mmの加工穴サイズに対応し、平面型ベゼルと突出型ベゼルの両方を備えています。

正しいRGB LEDインジケータの選択

多様な選択肢を考慮し、用途に適したLEDインジケータを選ぶための基準の一部を以下に示します。

• 共通アノードまたは共通カソード：共通アノードでは、赤、緑、青の3つのコンポーネントがプラス（アノード）接続を共有し、共通カソード接続ではマイナス接続を共有します。LEDドライバが共通アノードパッケージと共通カソードパッケージを使用するには、異なる電子コンポーネントが必要です。
• スルーホールまたは表面実装：RGB LEDインジケータの取り付け方法
• インジケータのサイズおよびパネルの加工穴サイズ：（パネル面実装オプションを使用する場合）
• LEDインジケータの明るさおよび視野角
• 電圧および電流定格：信頼性の高い性能を保証するために、回路の想定範囲と一致させる必要があります。
• LEDインジケータの制御方法：マイクロコントローラを介した個別のPWMチャンネルを使用する方法から、より詳細な調整オプションを提供するドライバ集積回路まで、さまざまな方法があります。
• 環境要因：振動、衝撃、ほこり、極端な高温や低温は、特定のアプリケーションに適切なLEDの種類を決定します。

QシリーズRGB LEDインジケータ

APEMのQシリーズは、RYGオプションに比べてより明るい照明と、強力なRGB光出力を組み合わせた照明を提供します。パネルのデザインに合わせるための、埋め込み型オプションも用意されています。Qシリーズは、屋外アプリケーションや屋内の高湿度環境での使用に必要不可欠な防水性を確保するため、エポキシ樹脂封止オプションが用意されています。

さらに、Qシリーズは標準、高輝度、超高輝度のオプションを提供しています。標準タイプはあらゆる屋内アプリケーションに適していますが、高輝度は視野角が重要な屋外アプリケーションに適しています。超高輝度タイプも日光下でも視認可能なLEDですが、視野角がかなり狭いため、長距離での使用に適しています。

まとめ

RGB LEDインジケータは、最小限のエネルギー消費で視覚信号を伝達するため、現代の電子機器に最適です。さらに、APEM_Q10/14/16/19/22シリーズのインジケータは機能が豊富で、パネル表示を必要とするほぼすべてのアプリケーションに対応する幅広いオプションを提供します。