Адресные светодиоды позволяют управлять режимами работы каждой отдельной секции ленты по отдельности. Это дает возможность включать и выключать каждый светодиод или пиксель независимо от других.
Особенности подключения и управления адресной светодиодной лентой
Современные технологии использования светодиодов в освещении открывают для дизайнеров практически безграничные возможности. Ранее потребители были восхищены устройствами на основе RGB-технологии, где один светоизлучающий элемент мог испускать три основных цвета. С течением времени на рынке стали появляться новые решения, применение которых кажется совершенно безграничным.
Одним из таких устройств является адресная светодиодная лента, которая позволяет регулировать яркость и цветовую гамму каждого отдельного светодиода с помощью широтно-импульсной модуляции. Это принцип действия аналогичен тому, как работает обычный RGB-светильник, который используется в цифровом управлении нагрузками. Однако основное отличие адресной ленты в том, что каждый светоизлучающий элемент может управляться независимо, в отличие от стандартной ленты, на которой весь участок светится одинаково.
Устройство адресной ленты
В структуре адресной светодиодной ленты основными элементами являются светодиоды, которые состоят из светоизлучающего полупроводникового элемента и встроенного ШИМ-драйвера. В зависимости от типа используемых адресуемых светодиодов, RGB-модули могут быть инсталлированы в общий корпус или прямо присоединяться к контактам драйвера. В качестве источника света можно применять как отдельные светодиоды, так и RGB-сборки. Напряжение питания может варьироваться. Сравнительные характеристики распространенных микросхем, используемых для управления цветными светодиодами, отражены в таблице ниже.
Энергетическое потребление на метр адресной светодиодной ленты сравнительно высокое, поскольку затраты на энергию включают не только светодиоды, но и потери, возникающие при переключении драйверов ШИМ.
Устройство элемента светильника
Каждый адресуемый светодиод обычно включает в себя минимальное количество выводов:
- U питания (VDD);
- общий провод (GND);
- вход данных (DIN);
- выход данных (DOUT).
Это оснащение позволяет интегрировать компоненты с встроенными передатчиками в 4-контактных корпусах (таких как WS2812B).
Для микросхем с внешним подключением необходимо дополнительно как минимум три вывода для подключения светодиодов. В стандартных 8-контактных корпусах остается всего один свободный вывод, который можно использовать для других задач.
Например, разработчики микросхемы WS2811 использовали дополнительный вывод для переключения скорости, в то время как WS2818 предоставляет резервный вход данных (BIN).
Что это такое?
Адресные светодиодные ленты, также известные как диоды, пиксели или светодиодные полосы, представляют собой не просто ряд светодиодов, расположенных в линию или собранных иной топологией. Каждый диод в таких лентах управляется независимо от остальных, что значительно расширяет их функциональные возможности. В оригинальной ленте каждый пиксель содержит три светодиода в одном корпусе, которые рассредоточены по цветам: красный, зеленый и синий.
Контроллер внутри матрицы или ленты заставляет каждый из светодиодов светить с разной интенсивностью.
Как и в случае со светодиодным матричным дисплеем или экраном мобильного устройства, адресная лента формирует визуальные эффекты, такие как «бегущие огни», включая или выключая отдельные светодиоды с возможностью выбирать цвета в любой区域 или в любой момент времени.
Принцип работы
Недавняя популярность адресной светодиодной ленты с RGB-цветами и возможностью отображения более 16 миллионов оттенков, воспринимаемых человеческим глазом, является результатом новейших технологий. Каждый светодиод в ленте оснащен собственным маленьким микроконтроллером, который дает возможность точно регулировать цвет свечения в зависимости от предпочтений пользователя. Однако наличие отдельного микроконтроллера для каждого светодиода приводит к значительному увеличению стоимости ленты.
Стандартные контакты для подключения адресной ленты обычно составляют 4, но могут быть и менее 3 контактов. Один совместный контакт (GND) используется для заземления драйвера, другой обеспечивает положительное питание, составляющее 5 вольт. Третий (и иногда четвертый) контакт передает сигналы программирования контроллеру.
Адресуемая лента управляется цифровыми данными. Работая без общего контроллера, она не будет функционировать должным образом. В оптимальном случае будут гореть группы светодиодов, испускающих холодный белый свет. Если пользователь прикоснется к шине передачи цифрового сигнала, контроллер интерпретирует это как команду, и зажжёт все или некоторые светодиоды в зависимости от состояния системы. Напряжение питания для каждого сегмента составляет либо 5, либо 12 вольт.
Управляющий сигнал последовательно передается между сегментами, а не отправляется сразу всем. Если один из микрочипов перестает функционировать, команды не будут переданы дальше, и последующие светодиоды в цепи останутся неактивными.
Для усложнения алгоритмов управления, такие ленты могут быть «модулированы» в управляющих цепях с использованием дополнительных микроконтроллеров.
Обзор лент
Наиболее популярными в использовании являются сборки на основе микросхем WS2812B и WS2811, которые функционируют на напряжении 5 и 12 вольт, соответственно.
- Пиксельная лента на базе микросхемы WS2811 представляет собой конструкцию, содержащую не менее 8 выходов управления. Три из этих выводов отвечают за цветовую палитру (красный, зеленый, синий), два обеспечивают передачу данных, один используется для выбора необходимого режима работы, один — для питания, а последний — для «массы». Более продвигаемая версия WS2811 отличается тем, что её локальный контроллер активирует сразу три светодиода, что значительно повышает её надежность и экономичность.
- Ленты, основанные на микросхемах WS2812B, осуществляют управление через отдельный контроллер, который работает как программный блок. Платформы радиолюбителей, такие как Arduino, существуют для сборки таких устройств с использованием небольших программных скриптов на языке C++. Для повышения устойчивости к помехам в лентах с различными микросхемами также подключаются электролитические конденсаторы. Эта версия предполагает, что управляющий кристалл встроен в корпус SMD-5050, и имеет 4 выхода: «питание», «масса», «отправка» и «приём». Питание осуществляют от 12 В.
- Модель WS2813 помимо вышеописанных характеристик имеет дополнительный задублированный вывод, что позволяет передавать команды от общего контроллера далее, избегая преждевременного выхода из строя любых из точечных контроллеров цепочки, тем самым поддерживая работоспособность последующих секторов.
Можно подвести итоги, сказав, что в «умных лентах» используется DIP-контроллер, который встроен в сам корпус SMD-светодиода. Серия 5050 именно так организована. Этот единый модуль — светоизлучающие диоды и простой контроллер — позволяет создать ленту любой длины на базе таких светодиодов. Количество контактов может варьироваться от 4 до 8 на один светильник.
Важным моментом является то, что для создания 10-метровой (и более) полосы необходимо модернизировать токоподводы «питание» и «земля», увеличивая их сечение, поскольку низкое напряжение заметно падает на проводах с малым сечением, в отличие от высокого напряжения.
NeoPixel 12 – кольцо из светодиодов WS2812B
Шлейф проводов «Папа — Папа» (20см, 40шт.)
Самые популярные материалы в блоге
За все время
За сегодня
Voltik — это сплоченная команда амбициозных и полных энтузиазма инженеров. Мы создали эту программу, чтобы познакомить вас, талантливых и начинающих профессионалов, с захватывающим миром микроэлектроники!
Отчет о тестировании Z-Uno — платы для прототипирования устройств Z-Wave
32 комментария. Оставить новый
Ваш код не работает. Вы получаете ошибку функции при вызове ‘CFastLED::addLeds(CRGB 30, int)’ со строкой FastLED.addLeds(strip, LED_COUNT),
Вы исправили первоначальный код? Если да, опубликуйте его, чтобы наши эксперты могли его рассмотреть и ответить в комментариях.
В первом коде есть ошибка в инициализации полосы, строка 16 должна быть заменена на: FastLED.addLeds(strip, LED_COUNT),
И тогда вы увидите счастливый результат))
Большое спасибо за ваш комментарий! Я исправил это в коде.
Подскажите, можно ли подключить к Arduino множество разных полосок и управлять каждой из них по отдельности? И следует ли заземлять все ленты через отрицательную клемму Arduino?
Здравствуйте! Все полоски должны быть подключены к одной шине для подачи питания, ведь вы не можете подавать питание от Arduino на вашу ленту, только передавать данные. Количество светодиодов, которые вы можете подключить, зависит от используемой библиотеки.
По библиотеке FastLED вы можете подключить до 600 пикселей, а для Adafruit NeoPixel — примерно до 800.
Как реализовать большой стенд с, скажем, 10 000 пикселей? Изображение будет стандартным. Необходимо ли комбинировать все 3 матрицы 16×16 для создания одного изображения? А если это анимация изображений, задача значительно усложняется.
Кто может объяснить, как работает DIN, и возможно ли регулировать цвет отдельных светодиодов без использования Arduino?
Выше указано, что необходимо подавать на пин DIN, чтобы светодиоды светились нужными цветами. А именно — подавать на пин напряжение с интервалами 40-45 мкс и 80-85 мкс, а также между пакетами — 50 мкс и окончание — больше 100 мс. Удачи!
Здравствуйте! Для однотонных полос какой код должен быть при их добавлении в настройку?
Что вы имеете в виду под словом «монохромный»? Это означает, хотите ли вы свечение только в черно-белом цветовом варианте или вам нужен определенный цвет?
У меня есть адресная дорожка с 335 адресами. Я хотел бы создать фонарь, который можно использовать на улице и внутри помещений. Где я могу найти такую библиотеку?
Здравствуйте. Вы можете ознакомиться с примерами стандартной библиотеки от Adafruit, там, безусловно, найдете текущий маяк.
Здравствуйте, подскажите, как передать цвет, который нужно отправить на ленту, с компьютера? Это комбинация ПК, Arduino и светодиодной ленты. Например, я выбираю цвет на ПК, и он передается на ленту.
Компьютер может отправлять информацию на последовательный порт, Arduino получает эту информацию и, в конечном счете,…
Здравствуйте, подскажите, как объединить резервный выход 12 с существующим выходом 11, чтобы они работали синхронно. Пример кода:
int b1 = 0; int b2 = 0; int b3 = 0; int p_top, p_bottom; int t_top, t_bottom; int state_top, state_bottom;
char buf32; unsigned long prev_top, prev_bottom; int pin_bottom = 11; int pin_top = 13; int tick = 200;
WS2811 (WS2818) и WS2812
В нынешнее время наибольшей популярностью пользуются два типа светодиодных лент: WS2812B и WS2811 (новейшая модель WS2818). Их различия заключаются в специфике их конструкции. Микросхема WS2812 интегрирована непосредственно внутри светодиода, и она отвечает за управление его цветом, а напряжение работы этой ленты составляет всего 5 вольт. В то время как микросхемы WS2811 и WS2818 располагаются отдельно и могут одновременно обеспечивать работу трех светодиодов, однако их напряжение управления может достигать 12-24 вольт.
ЧТО ТАКОЕ АДРЕСНАЯ ЛЕНТА
В данном руководстве будет рассмотрено устройство светодиодных лент. Моя цель состоит в том, чтобы предоставить исчерпывающую информацию, так что когда вы дойдете до раздела «типичные неисправности и отказы», вы сможете успешно диагностировать и починить любые поломки, не прибегая к дополнительным источникам информации. Итак, что представляет собой адресная лента? Давайте разберемся в эволюции светодиодных лент.
Стандартная светодиодная лента — это просто длинная полоса, на которую припаивают светодиоды и резисторы. Такой источник питания включает всего два провода: один для положительного, другой для отрицательного напряжения. Напряжение может варьироваться: обычно используется постоянный ток 5 и 12 вольт, а также иногда 220 вольт переменного тока. Да, такие устройства могут подключаться непосредственно к розетке. Для 5- и 12-вольтовых светодиодов потребуется использование блока питания. Лента светится в зависимости от цветов используемых светодиодов.
Следующим шагом стали RGB-светодиоды, которые объединены в одной полосе. Эта лента имеет 4 выхода: один общий (анод) на 12 В и три минусовых (катоды) для каждого цветового компонента. То есть внутри одного элемента этой ленты находятся светодиоды трех различных цветов. Также, как и в случае с обычной RGB-лентой, в ней есть выводы: 12, G, R, B. При подаче напряжения на общий контакт 12 В и активации одного из цветовых контактов мы можем включить этот цвет. Если подать питание на все три цвета, мы получаем белый свет, активируя зеленый и красный — желтый, и так далее. Типичный контроллер состоит из трёх полевых транзисторов — по одному для каждого цвета — и микроконтроллера, который управляет их работой, позволяя активировать каждый цвет отдельно. Управлять такой лентой легко через Arduino, так как Вы получаете контроль по трем входам и осуществляете ШИМ через аналоговые записи.
Адресная светодиодная лента представляет вершину технологий в области светодиодного освещения. В состав такой ленты входят адресуемые светодиоды, каждый из которых состоит из RGB-светодиода и встроенного контроллера. Здесь имеется возможность точного управления цветом (яркостью каждого из трех составляющих: R, G, B) для каждого светодиода в ленте, что открывает путь для создания исключительных визуальных эффектов. Лента может иметь от трех до четырех контактов для подключения, два из которых используются для питания (например, 5V и GND), а оставшиеся могут быть логическими и предназначены для управления.
Такой интеллектуальный лентой управляется по специальному цифровому протоколу. Это означает, что просто подача питания на ленту не приведет к ее активизации, так как управление лентой невозможно без контроллера. Случайное прикосновение к цифровому входу ленты может привести к включению нескольких светодиодов, свечение которых будет происходить в произвольных цветах, поскольку шум, создаваемый в момент касания, воспринимается как команды для диодных контроллеров. Управление такими лентами возможно с помощью специализированных контроллеров, а также с использованием платформы Arduino, что обеспечивает большую гибкость в настройках и разработках. Чрезвычайно важно учитывать ряд критических моментов:
ОСОБЕННОСТИ ПОДКЛЮЧЕНИЯ
1) Команды на ленте передаются от одного диода к другому последовательно. У каждой ленты есть «начало» и «конец», а направление передачи данных указывается стрелками на некоторых моделях. К примеру, в случае с WS2812B, лента располагает тремя контактами. Из них два предназначены для подачи питания, а третий, расположенный в начале ленты, называется DI (цифровой вход), а в конце — DO (цифровой выход). Команды поступают на терминал DI! Клемма DO необходима для объединения с дополнительными кусками ленты или для соединения панелей.
2) В случае, если на ленту не подается питание 5 В, но подается сигнал от микроконтроллера, лента начнёт функционировать от сигнального пина. Это обстоятельство может вызвать выход из строя первого светодиода на ленте и даже повреждение клеммы контроллера. Чтобы избежать этого, рекомендуется использовать резистор с сопротивлением от 200 до 500 Ом. Какова точность резистора? Ее выбор не критичен. Какова мощность резистора? Тут допускается любое значение, даже 1/4 Вт.
2.1) Если расстояние между лентой и контроллером (например Arduino) значительно (более 50 см), то сигнальный и заземляющий кабели могут быть скручены вместе для лучшей защиты от возможных помех. Это объясняется тем, что протокол связи ленты довольно быстр (800 кГц); он подвержен влиянию внешних помех, а экранирование заземляющим проводом позволит предотвратить нестабильную работу. В противном случае ваша лента может не функционировать должным образом, пока не коснетесь сигнального кабеля рукой.
2.2) При подключении ленты к микроконтроллерам, использующим логическое напряжение 3,3 В (таким как esp8266, ESP32, STM32), может наблюдаться проблема. Напряжение ленты составляет 5 В, в то время как сигнал — 3,3 В. Спецификация определяет максимальную допустимую разницу между питающим и управляющим сигналами; при превышении этого значения, лента может не работать или функционировать с артефактами. Для разрешения ситуации можно использовать различные методы.
3) Самый важный момент, который часто игнорируется: цифровой сигнал передается по двум проводам, поэтому одноканального подключения от Arduino недостаточно. Какой второй провод? Это GND земля. Контакт GND ленты и одна из клемм GND Arduino должны быть всегда соединены. Примеры подключения приведены ниже.
4) Мощность. Одноцветный светодиод расходует 12 миллиампер при максимальной яркости. Один светодиод состоит из трех цветовых компонентов, поэтому его максимальное потребление составляет ~36 мА. Если ваша лента имеет плотность 60 диодов на метр, то при максимальной яркости белого цвета потребуется 60*36 = 2,1 ампера. Вам нужно предусмотреть источник питания, способный выдержать это. Также важно учитывать, в каком режиме будет работать лента; если она будет использоваться в динамических режимах, допустимо оценить мощность как половину от максимальной.
5) Что касается источников питания, важно учесть качество пайки точек питания (соединение кабелю с лентой и соединение кабеля с блоком питания), а также использовать провода достаточного сечения. На практике, чтобы достичь полной яркости, рекомендуется использовать провода с сечением не менее 1,5 квадратного миллиметра. Например, на проводе сечением 0,75 квадратного миллиметра и длиной 1,5 метра, при силе тока 2 ампера, будет падение 0,8 вольта, что критично для источника питания с напряжением 5 В. Одним из первых признаков падения напряжения является изменение цвета белого света на желто-красный оттенок. Чем более выразительно это проявление, тем больше падение напряжения наблюдается!
Выбор контроллера для адресной ленты
При выборе SPI-контроллера для адресных полос следует ориентироваться не только на мощность подсветки, как это обычно делается, но и на общее количество пикселей.
Этот параметр всегда указывается на упаковке изделия.
При подборе источника питания стоит опираться на данные с предыдущей иллюстрации. Например, светодиодные модели WS2812B потребляют примерно 60 мА при белом свете.
Просчитайте общее количество потребляемого тока в вашей полосе, добавьте запас в 30% и выберите подходящий источник питания.
От источника питания провода ведутся к контроллеру, а с другой стороны блока управления на питается сама лента.
Возможно прямое питание, но контроллер обязательно должен присутствовать.
Подключение более 5 метров
В случае необходимости подключать более 5 метров адресной ленты, нельзя просто соединять их последовательно для обеспечения равномерного освещения. Прежде всего, это касается источника питания!
Если количество пикселей на контроллере позволяет подключать большую длину, не будет проблем соединить между собой разъемы DI и DO. Но источник питания (5В или 12В) следует прокладывать отдельно, параллельно.
Существуют блоки управления с дополнительными кабелями, которые специально предназначены для такого подхода.
Вы не можете соединить несколько лент последовательно и ожидать увеличения напряжения.
Например, давайте посмотрим на три отрезка WS2812B (по 5 метров каждый); если мы подадим на них 15 вольт в начале всей последовательности, учитывая последовательное падение напряжения, это не даст желаемого результата.
В этом случае каждой полосе потребуется отдельный контроллер, и необходимо убедиться в том, что все полосы имеют одинаковое потребление тока.
Следовательно, лента может светиться не белым, а желтоватым или красным светом.
Такой эффект чаще всего объясняется неверно подобранной площадью поперечного сечения проводников. Рекомендуется использовать проводники с сечением не менее 1,5 мм².
Отсутствие цвета — это один из первых признаков возможного падения напряжения. Красный цвет возникает из-за этого, поскольку для синего и зеленого цветов обычно требуется около 3,5 В на чипе WS2812B, а для красного может быть достаточно 2 В.
Таким образом, если напряжение на светодиодах снижается, это может привести к гашению зеленого и синего диодов, а красный остается активным в большинстве случаев.
Правильная покупка светодиодной ленты на AliExpress
Что касается сечения провода, например, лента WS2812 потребляет примерно 60 мА на диод. Если длина ленты составляет 5 метров, то потребление тока будет равно 18 ампер!
Согласно всем расчетным таблицам, для такого тока потребуется провод сечением 2,0-2,5 мм². Даже медные дорожки на самой ленте не имеют подобного сечения.
Поэтому, если вы хотите получить адекватное свечение и яркость даже на стандартных 5-метровых участках, вам следует подключать питание с обоих концов.
Кроме размеров кабелей, важно также качество проводников. Конечно, производители будут уверять, что у них лучший продукт, и клиенты никогда не жаловались на качество. Но как вы можете проверить это прежде, чем совершить покупку? Очень просто: спросите о весе изделия. Затем сравните одинаковые модели различных производителей.
Например, на 5-метровой ленте (с 60 светодиодами на метр), если её вес составляет менее 100 г, то ослабление натяжения начинается уже после 1,5 м!
Такой эффект связан с использованием слишком тонких медных дорожек или некачественной меди в проводниках.
