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4pin RGB LED アノードコモン・カソードコモンどちらでも同じに扱う

Posted at 2024-06-16

RGB LED

今回扱うLEDは、NeoPixel(WS2812他)等のマイコン内蔵フルカラーLEDではありません。
（下の写真のような）Red、Green、Blue 各色のピンと共通ピンの合計4ピンあるRGBLEDです。

アノード(+)コモンと、カソード(-)コモンの2タイプがあります。

一番足の長いピンが共通ピンですが、R・G・Bピンの並びは、RGBLEDの製品により異なる場合があるので、データシートで確認します。

R・G・B のそれぞれのピンに電流制限抵抗を入れる必要があります。RGBLED製品の諸元をもとに必要な抵抗値を計算で求められますが、3.3V〜5Vで駆動する場合は 500Ω〜1KΩ 程度の抵抗を使えばほぼ問題ありません。

点灯させる論理のおさらい

これまでの説明の通り、R・G・B の各色は独立していることが分かります。

※折りたたんであります。「LEDを点灯させる論理」を確認したい方は、次の「ここに表示」をクリックしてください。

ここに表示

On/Off制御（デジタル制御）

各色を光る、消すで制御すると、次の8色の発光パターンが作れます。
（下表で、1：光る、0：消すを表す）

R	G	B	色
0	0	0	（全消灯）
0	0	1	青
0	1	0	緑
0	1	1	水
1	0	0	赤
1	0	1	紫
1	1	0	黄
1	1	1	白

これを実現するには、

アノードコモンの場合
- 1：光る V-(GND)に接続
- 0：消す V+(VDD)に接続
  　
カソードコモンの場合
- 1：光る V+(VDD)に接続
- 0：消す V-(GND)に接続

と、なります。
アノードコモンとカソードコモンでは、逆の理論になっています。
（カソードコモンの方が、電気の流れと論理が一致していて、分かり易い気がします）

タイトルでいう「同じに扱う」にはなっていませんが、反転するだけです。

整数の0と1で表すなら、カソードコモンを基準に0か1に決定した値をiとすると、アノードコモンの場合の値は、(1-i)です。
Boolean変数xなら、(Not x)で、言語により(!x)かも知れません。

ArduinoにおけるdigitalWrite()がこれに当たります。R・G・B のそれぞれのピンに対して実行します。

カソードコモンの場合
digitalWrite(pin#, i) or digitalWrite(pin#, x)
　
アノードコモンの場合
digitalWrite(pin#, 1 - i) or digitalWrite(pin#, !x)

ただし、最初からdigitalWrite(pin#, 0)がOn、digitalWrite(pin#, 1)がOffを意味する負論理のマイコンが存在します。今回の記事を負論理のマイコンに適用する場合は、さらにNotが必要になります。ややこしい・・・

PWM制御（アナログ制御）

他方、各R・G・BのOn・Off制御ではなく、各R・G・Bを16階調や256階調で制御することで、4096色（$16^3$）や1677万色（$256^3$）の発光パターンを作れます。

これは、各R・G・Bに印加する電圧を変化させることで実現します。この方法としては、PWM（Pulse Width Modulation）電圧変換が一般的です。

PWM電圧変換とは、一定電圧（VDD）の入力からパルス列のオンとオフの一定周期を作り（周期を周波数で示すことが多い）、オンの時間幅（デューティ比）を変化させ、出力電圧を制御することです。出力電圧はデューティ比に該当する平均化された大きさとなります。
例えば、デューティ比を50%とすれば、VDDの半分の電圧を出力することができます。

デューティ比の指定方法は、使用するマイコンと使用する言語によって異なりますが、どんなマイコンでもPWM制御は持っていますし、デューティ比も変えられます。
PWMの周波数は、数百Hzで十分です。高性能のマイコンなら数KHzでも可

例えば、関数PWM(0〜1023)でデューティ比が指定できると仮定すると、256階調とするなら、$\bigl(\frac{1023}{255}\bigr)$≒4倍した値を引数に渡せばよいことになります。

スカイブルーという色のRGB値が(R:135, G:206, B:235)だとすると、以下の擬似コードになります。

Red.PWM(135 * 1023 / 255)
Green.PWM(206 * 1023 / 255)
Blue.PWM(235 * 1023 / 255)

ただし、これは、カソードコモンでの場合です。
アノードコモンの場合は、反転論理ですから、値を反転する必要があります。
PWM関数の引数でカソードコモンでの値をiとするなら、アノードコモンの場合は、(1023-i)となります。

アノードコモンの場合

Red.PWM(1023 - 135 * 1023 / 255)
Green.PWM(1023 - 206 * 1023 / 255)
Blue.PWM(1023 - 235 * 1023 / 255)

今回は検証用に WOKWI版 Raspbery Pi Pico ＆ Micropython を使いますが、どんなマイコンであれ、使える言語に差があっても、考え方はどれも同じです。

Picoは、どのGPIOピンでもPWMを使用できますが、全部で8チャネルしかありません。
GPIO0〜15とGPIO16以降でチャネルが重複しているので、PWMで使用するGPIOピンを選ぶときは注意が必要です。

参考サイト
https://www.denshi.club/parts/2021/07/raspberry-pi-pico-18-pwm.html

実際に試す

上の写真のように、カソードコモンとアノードコモンのRGBLEDを、Raspbery Pi Picoに接続します。

On/Off制御

アノードコモンとカソードコモンの差を吸収するために、クラス化しました。インスタンス生成時に、コモンタイプを指定します。

from machine import Pin
import utime

class RGBLED:
    def __init__(self, red_pin, green_pin, blue_pin, anode_common=False):
        self.red = Pin(red_pin, Pin.OUT)
        self.green = Pin(green_pin, Pin.OUT)
        self.blue = Pin(blue_pin, Pin.OUT)
        self.anode_common = anode_common

    def rgb(self, r, g, b):
        if self.anode_common:
            r = 1 - r
            g = 1 - g
            b = 1 - b
        self.red.value(r)
        self.green.value(g)
        self.blue.value(b)

a_led = RGBLED(28, 27, 26, anode_common=True) #アノードコモン
c_led = RGBLED(3, 2, 1)                       #カソードコモン

Illumination = [
    (0, 0, 1), #青
    (0, 1, 0), #緑
    (0, 1, 1), #水
    (1, 0, 0), #赤
    (1, 0, 1), #紫
    (1, 1, 0), #黄
    (1, 1, 1), #白
    (0, 0, 0)  #全消灯
]
while True:
    for r, g, b in Illumination:
        a_led.rgb(r, g, b)
        c_led.rgb(r, g, b)
        utime.sleep(1)

タネを明かすと、これが、タイトルに書いた『同じに扱う』ということでした。
下のURLをクリックすると、WOKWI シミュレータが開きます。をクリックすると、コードを実行してRGBLEDが光る様子を見られます。

PWM制御

こちらも、アノードコモンとカソードコモンの差を吸収するために、クラス化しました。
MicroPythonでは、PWMのでデューティ比を0〜65535で指定するため、256階調にするために、$\bigl(\frac{65535}{255}\bigr)$≒256倍します。

from machine import Pin, PWM
import utime

class RGBLED:
    def __init__(self, red_pin, green_pin, blue_pin, anode_common=False):
        self.red = PWM(Pin(red_pin), freq=200)
        self.green = PWM(Pin(green_pin), freq=200)
        self.blue = PWM(Pin(blue_pin), freq=200)
        self.anode_common = anode_common

    def pwm(self, r, g, b):
        r = int(r * 65535 / 255)
        g = int(g * 65535 / 255)
        b = int(b * 65535 / 255)
        if self.anode_common:
            r = 65535 - r
            g = 65535 - g
            b = 65535 - b
        self.red.duty_u16(r)
        self.green.duty_u16(g)
        self.blue.duty_u16(b)

a_led = RGBLED(28, 27, 26, anode_common=True) #アノードコモン
c_led = RGBLED(3, 2, 1)                       #カソードコモン

Illumination = [
    (64, 154, 227),
    (128, 0, 128),
    (50, 150, 50),
    (255, 30, 30),
    (0, 128, 255),
    (99, 199, 0),
    (128, 128, 128),
    (255, 100, 0)
]
while True:
    for r, g, b in Illumination:
        a_led.pwm(r, g, b)
        c_led.pwm(r, g, b)
        utime.sleep(1)

下のURLをクリックすると、WOKWI シミュレータが開きます。

実は、MicroPythonのPWMには 論理反転する引数invertがはじめから用意されており、これを使うと、自力で論理反転する処理が不要になります。
この場合は、以下のコードとなります。

from machine import Pin, PWM
import utime

class RGBLED:
    def __init__(self, red_pin, green_pin, blue_pin, anode_common=False):
        self.red = PWM(Pin(red_pin), freq=200, invert=anode_common)
        self.green = PWM(Pin(green_pin), freq=200, invert=anode_common)
        self.blue = PWM(Pin(blue_pin), freq=200, invert=anode_common)
        self.anode_common = anode_common

    def pwm(self, r, g, b):
        r = int(r * 65535 / 255)
        g = int(g * 65535 / 255)
        b = int(b * 65535 / 255)
        self.red.duty_u16(r)
        self.green.duty_u16(g)
        self.blue.duty_u16(b)

a_led = RGBLED(28, 27, 26, anode_common=True) #アノードコモン
c_led = RGBLED(3, 2, 1)                       #カソードコモン

Illumination = [
    (64, 154, 227),
    (128, 0, 128),
    (50, 150, 50),
    (255, 30, 30),
    (0, 128, 255),
    (99, 199, 0),
    (128, 128, 128),
    (255, 100, 0)
]
while True:
    for r, g, b in Illumination:
        a_led.pwm(r, g, b)
        c_led.pwm(r, g, b)
        utime.sleep(1)