Добро пожаловать в полное руководство по адресным светодиодным лентам! Если вы знакомитесь с адресным светодиодным освещением или просто ищете исчерпывающий ресурс, который поможет вам выбрать и настроить свой собственный проект адресного светодиодного освещения, вы попали по адресу.
Адресные светодиодные ленты — отличный способ добавить яркое и настраиваемое освещение в любое пространство. Благодаря возможности гибкого управления отдельными светодиодами можно создавать впечатляюще сложные и динамичные световые эффекты.
В этом руководстве мы расскажем все, что вам нужно знать об адресных светодиодных лентах, от основ их работы до различных типов, доступных на рынке. Читайте дальше, чтобы узнать больше об этом интересном типе светодиодных лент.
Оглавление
- Что такое адресная светодиодная лента?
- Встроенная микросхема против внешней микросхемы
- Как работают адресные светодиодные ленты?
- Адресная светодиодная лента против неадресной светодиодной ленты
- Типы адресных светодиодных лент
- 1. Адресные светодиодные ленты с одним сигналом
- 2. Адресные светодиодные ленты с двойным сигналом
- 3. Адресные светодиодные ленты возобновления точки останова
- 4. Светодиодные ленты DMX512.
- Можно ли разрезать адресные светодиодные ленты?
- Как подключить адресные светодиодные ленты?
- Как управлять адресными светодиодными лентами?
- Как установить адресные светодиодные ленты?
- Часто задаваемые вопросы
Что такое адресная светодиодная лента?
Адресная светодиодная лента — это цифровая лента, содержащая светодиоды и микросхемы драйверов, которые позволяют независимо управлять каждым светодиодом. Это означает, что каждый светодиод может быть автономным и интеллектуальным сам по себе. Другими словами, каждый свет может иметь свой оттенок и яркость.
Ниже показано изображение индивидуально адресуемой светодиодной ленты, в которой на каждый светодиод имеется одна микросхема (интегральная схема), и каждый светодиод можно обрезать. Размещение адресных микросхем светодиодов делится на два основных типа: миниатюрные микросхемы, встроенные внутри структуры светодиода, и микросхемы, размещенные снаружи светодиода.
Встроенная микросхема против внешней микросхемы
Встроенные микросхемы интегрируют схему внутри светодиода, сокращая затраты на проектирование схемы, использование внешних компонентов и производственные затраты. Встроенные микросхемы позволяют одной микросхеме управлять одним светодиодом для изменения нескольких цветов.
Внешняя микросхема управляет несколькими светодиодами, обычно 3 или 6. Такая конструкция в некоторой степени уменьшает цветовое разнообразие.
Адресная лента — управление без библиотек
· Встроенные микросхемы: WS2812B, WS2813, WS2815, SK9822, APA107, HD108 и т. д.
· Внешняя микросхема: WS2811, WS2814, WS2818, UCS1903, TM1812, TM1814, LPD8806, LPD6803, TM1914, TM1934, GS8206, FW1906, SM16703, SM16704 и т. д.
· Доступны как встроенные, так и внешние микросхемы: SK6812, APA102, WS2801, GS8208, DMX512 и т. д.
1. Немного об обычной RGB ленте.
RGB (Red, Green, Blue) лента — это разноцветная светодиодная лента с четырьмя контактами: R, G, B и +. Для управления этой лентой используется контроллер, который «решает» какое напряжение подать на какой канал в зависимости от цвета, который вы выбрали. Если он, например, подаст питание поровну на «синий» и «зеленый» канал, мы должны увидеть желтый. В основном RGB ленты делают на основе диодов 2835 и 5050. Однако SMD 2835 — лишь симуляция RGB, в которой красный, синий и зеленый диод чередуются и якобы получается RGB. Внешне это очень напоминает обычную гирлянду (см картинку ниже).
Лента RGB 2835
Лента SMD 5050 более современна. Внутри каждого диода совмещены красный, зеленый и синий кристаллы. Контроллер подает большее или меньшее напряжение на соответствующий канал в зависимости от команды, и в итоге диоды могут светить не только красным-синим-зеленым, но и их смешением: розовым, оранжевым, фиолетовым и т.д.
Как работает адресная светодиодная лента?
Наверное этот вопрос «как работает» очень многим покажется глупым. Ответ почти очевиден: адресная светодиодная лента состоит из множества последовательно соединенных «умных светодиодов». Это можно увидеть просто рассматривая устройство ленты. Видны отдельные микросхемы, припаянные к гибкому шлейфу, видны соединения: микросхемы соединены последовательно всего тремя проводами, при этом два из них это питание и земля. Только один провод передает данные о цвете пикселей. Как же это? Что такое «умный светодиод»?
Дальше я расскажу о протоколе передачи данных, используемом в светодиодной ленте на базе WS2812B, и, более того, я почти создам свою «микросхему светодиодной ленты» в микросхеме ПЛИС.
Итак, в ленте используется последовательная передача через один единственный сигнал данных.
Бит ноль передается, как короткий положительный импульс и пауза, которая примерно в два раза шире импульса. Бит единица передается как широкий положительный импульс и короткая пауза:
При отсутствии передачи более 50 микросекунд лента переходит в исходное состояние, готова принимать пиксели начиная с первого.
Каждые 24 бита в последовательности — это 3 байта для трех цветов RGB. Причем на самом деле последовательность будет G-R-B. Старший бит G7 идет первым.
Последовательность из первых 24х бит представляет из себя один пиксель, который получит самый первый светодиод в ленте. Пока первый светодиод не насытится он не передает данные дальше к следующему светодиоду. После того, как первый светодиод получит свою порцию из 24х бит RGB он открывает передачу следующему. Примитивно можно последовательность светодиодов представить, как каскад из кувшинов, последовательно наполняемых водой:
Заполнится первый, потом второй, потом третий и так все по очереди.
Таким образом, я считаю, что с протоколом передачи разобрались.
Можно ли попробовать самому спроектировать такой «умный светодиод»? Практического смысла в этом конечно мало, но для самообразования и расширения кругозора — задача интересная. Попробуем описать логику чипа на языке проектирования аппраратуры Verilog HDL. Конечно, это будет не настоящий дизайн микросхемы, будут ограничения. Одно из самых важных ограничений — мне для моей микросхемы будет нужен внешний тактовый генератор. В настоящем умном светодиоде такой генератор тоже есть, но он встроен уже в чип.
Модуль на Verilog начнем вот так:
module WS2812B( input wire clk, input wire in, output wire out, output reg r, output reg g, output reg b );
Здесь думаю все понятно: тактовая частота clk, входной и выходной сигналы «умного светодиода» in и out, ну и, конечно, выходные сигналы r, g, b через которые я буду управлять реальными внешними светодиодами красным, зеленым и синим.
Входной сигнал я буду захватывать в двухбитный сдвиговый регистр и по текущему состоянию в этих захваченных битах смогу определить начало положительного фронта сигнала in:
Кроме этого, важно определить состояние сброса ленты, когда управляющий контроллер выдерживает паузу перед началом новой передачи:
Дальше, от положительного фронта in_pos_edge нужно выдержать некоторую паузу, чтобы получить момент фиксации нового бита:
Количество уже принятых бит в чипе считаем так:
Здесь вводится еще важный сигнал pass, который как раз и определяет перенаправление входного потока на выход. После принятия 24х бит пикселя сигнал pass устанавливается в единицу:
На выход out мультиплексируются входные данные, когда сигнал pass_final в единице.
Ну и, конечно, нужен сдвиговый регистр, где накапливаются принятые 24 бита пикселя:
По приему всех 24х бит они переписываются в итоговый так же 24х битный регистр.
Теперь остается дело за малым. Нужно реализовать ШИМ (Широтно Импульсную Модуляцию) сигнала для передачи яркости реальным внешним светодиодам согласно принятым байтам RGB:
Вот кажется и все.
Остается маленькая деталь — как это все испытать?
Я взял несколько простых плат с ПЛИС MAX II (это платы серии Марсоход) и прошил их все проектом с вот этим Verilog кодом. На платах уже было 8 светодиодов, но они были все желтые. На каждой из плат я заменил 3 светодиода на R, G, B. Платы соединил последовательно и более того подключил их к настоящей светодиодной ленте. Таким образом, я удлинил настоящую ленту своими самодельными светодиодами.
Получилось вот такое соединение:
В реальности это выглядит вот так:
Теперь, подавая на ленту некоторое изображение я вижу, что мои «умные светодиоды» ведут себе точно так же, как и настоящие из ленты:
Получается, что реализованная мною в ПЛИС логика вполне работоспособна! Я смог в первом приближении сделать нечто похожее на реальный чип «умного светодиода».
Вообще, мне нравятся светодиодные ленты. На их основе каждый может изобрести что-то свое: интеллектуальное освещение, экраны, амбилайт эффекты. Однажды я даже реализовал цветомузыку на светодионой ленте под управлением FPGA. Но это уже другая история.
- fpga
- светодиодная лента
- реверс-инжиниринг
- verilog
- FPGA
- Программирование микроконтроллеров
- Схемотехника
Для чего используются адресные светодиодные ленты?
Украшение освещения
Адресные светодиодные ленты могут широко использоваться в КТВ, барах, спортзалах и т.д.
Фасады зданий Освещение
Адресные светодиодные ленты можно использовать на фасадах высотных зданий, на мостах и т.д.
Освещение для особых событий
Адресные светодиодные ленты можно использовать на Рождество, концерты и т. д.
Домашнее освещение
Адресные светодиодные ленты можно использовать для украшения домашней обстановки и создания праздничной и уютной атмосферы.
Тип адресной светодиодной ленты?
Адресные светодиодные ленты делятся на две основные категории: Адресная светодиодная лента DMX512 и Адресная светодиодная лента SPI.
Адресная светодиодная лента DMX512
DMX512 расшифровывается как цифровое мультиплексирование 512. Это означает, что 512 каналов управляются в цифровом виде через 1 кабель передачи данных. DMX512 — это стандарт для сетей цифровой связи, которые обычно используются для управления освещением и эффектами. Первоначально он был задуман как стандартизированный метод управления диммерами сценического освещения, которые до DMX512 использовали различные несовместимые проприетарные протоколы.
Общие модели ИС с адресуемой светодиодной лентой SPI с функцией возобновления точки останова: WS2813, WS2815B, CS2803, CS8812B, WS2818, TM1914, CS8208
Общие модели ИС с адресной светодиодной лентой SPI без функции возобновления точки останова: WS2812B, SK6812, SK9822, APA102, WS2801, WS2811, UCS1903, TM1814, TM1812, CS6816, CS6814, LPD8806
Распространенные модели микросхем с тактовым каналом: SK9822, APA102, WS2801, LPD8806.
Общие модели микросхем без тактового канала: WS2812B, WS2813, WS2815B, SK6812, CS2803, CS8812B, WS2811, WS2818, UCS1903, TM1814, TM1914, TM1812, CS8208, CS6816, CS6814
Скачать спецификацию ИС
Светодиоды Плотность
Плотность светодиодов относится к количеству светодиодов на один метр адресных светодиодных лент. Чем выше плотность светодиодов, тем более равномерный свет, выше яркость и отсутствие световых пятен.
Ранг IP
IP-код или код защиты от проникновения определяется в стандарте IEC 60529, который классифицирует и оценивает степень защиты, обеспечиваемую механическими и электрическими корпусами, от проникновения внутрь, пыли, случайного контакта и воды. Он опубликован в Европейском Союзе CENELEC как EN 60529.
Если вам необходимо установить адресные светодиодные ленты на открытом воздухе, вам необходимо использовать адресные светодиодные ленты со степенью защиты IP65 или выше. Однако для установок, которые погружаются в воду на короткое время, более безопасным будет IP67 или даже IP68.
Как подключить адресную светодиодную ленту?
Прежде чем управлять адресной светодиодной лентой DMX512, вам необходимо использовать «программу записи адреса», предоставленную производителем ИС, для установки адреса dmx512 в ИС DMX512. Вам нужно только один раз установить адрес dmx512, и микросхема DMX512 сохранит данные, даже если питание отключено. Пожалуйста, проверьте, как установить адрес dmx512 видео ниже:
Адресная светодиодная лента с внешней микросхемой SPI
Адресная светодиодная лента с тактовым каналом SPI IC
С функцией возобновления передачи с прерыванием Адресная светодиодная лента SPI IC
Схема подключения адресной светодиодной ленты DMX512
Нажмите здесь чтобы проверить высококачественную схему подключения DMX512 в формате PDF
Адресная светодиодная лента SPI со схемой подключения только канала данных
Светодиодная лента с адресацией SPI и только каналом данных и каналом синхронизации
Адресная светодиодная лента SPI с каналом только данных и каналом возобновления перерыва
Сфера применения
Светодиодные модульные ленты с программно определяемым свечением пошли ещё дальше в своём развитии. Если однорядная сборка применяется в качестве подсветки потолка, то, выстраивая их ряды один над другим и располагая на прямоугольной основе, можно создать табло любого формата. Электронные дорожные вывески и указатели – тому пример: как только день переходит в сумерки, они включаются автоматически и работают от аккумулятора, заряженного днём от солнечной батареи. Однорядные же сборки зачастую идут в комплекте с пультом.
Например, на одном из мостов въездной трассы в крупный город каждые 5 секунд сменяют друг друга надписи – «Водители, счастливого пути!», «Город N приветствует вас!», «Снизь скорость до 60 км/ч», «Ведётся видеонаблюдение». Это лишь один из десятков тысяч случаев такого использования светодиодных матриц, набранных из лент. А при сборке полноценного экрана для рекламного щита организатору становится доступной трансляция рекламы скидок от рядом расположенных гипермаркетов. Такие сборки оснащены модулем Wi-Fi для приёма потокового видео от любого гаджета или ПК, на котором также есть модуль Wi-Fi.
Диагональ экрана для показа рекламы и передач достигает нескольких метров.
Одноцветные ленты (например, горят красным), набранные в матрицы, применяются как вывески магазинов. Бегущая рекламная строка может выдать до килобайта текста (без учёта пробелов). Здесь используется в основном одно- или двустрочное табло. Информация выводится последовательно – например, друг друга сменяют надписи: «Загляните в ресторан X», «Лучшие блюда» «Украинской кухни», «Уютное место», затем цикл вывода этих надписей перезапускается – и так до тех пор, пока табло не выключат на ночь.
В качестве примера автобусного табло – краткий список главных улиц его маршрута и номер последнего. Подобные системы установлены на ЖД, аэро- и автовокзалах – возле каждого посадочного места выводятся точки А и Б (города отправления и прибытия), время отправления и прибытия конкретного вида транспорта. Табло размещаются в зале ожидания и в местах стоянок.
Как подключить?
Подключение осуществляется в соответствии с конкретной инструкцией. Если её нет – осмотрите тщательно опознавательные метки на выводах печатной платы и на корпусе сборки. Так, знаки «+5В», «Масса», Rx и Tx не должны вызывать сомнений – это простейший 4-проводный протокол, по которому одинаковые по своему построению элементы ленты связываются друг с другом. Не подавайте напряжение 12 В, если на плате стоит маркер 5 V (а не 12 V) – лента попросту сгорит.
Некоторые светодиодные ленты могут содержать последовательно подключённый на выходе микросхемы резистор с сопротивлением от нескольких до нескольких десятков ом.
Эти резисторы гасят лишнее напряжение на светодиодах, включённых, например, в бортовую сеть легкового или грузового авто, автобуса и так далее.
Дело в том, что для заряда аккумуляторной батареи автомобильная сеть (генератор на бензодвигателе) использует зарядное напряжение до 15 вольт, а полностью заряженная батарея выдаёт до 13,8. Для 12-вольтовой сборки это много – чтобы светодиоды и контроллеры не перегорели от перегрева, и ставятся балластные резисторы. Постоянный «перекал» светодиодов (до +70 и более) даст им проработать не заявленные 25000-50000 часов, что эквивалентно примерно 10 и более годам непрерывной работы, а всего лишь 1500-4000.
Другими словами, перегруженная по току и напряжению электроника сгорала бы за несколько месяцев. В ряде случаев, когда вы заметили, что, несмотря на штатное напряжение, светодиоды и контроллеры всё-таки перегреваются – снизьте напряжение до 9-11 В, чтобы свет от ленты оставался заметным издалека.
Перепутать местами выводы Tx и Rx нельзя. Вход Rx ленты соединяется с выводом Tx общего контроллера.
Глупо на местном контроллере ждать приёма команд от общего – когда второй ничего не отправляет, а также «слушает» линию, ожидая ответных команд от первого.
Дело в том, что управляющий (задающий) программатор («мозг» системы), прежде чем отсылать управляющие команды любому из местных микроконтроллеров (исполнителей), должен, послав тестовую посылку, получить от них ответный сигнал, сообщающий об их готовности к работе. Если этого не случилось (точечная микросхема «умерла»), то опросная посылка от «мозга» пойдёт дальше, пока не откликнется первый, следующий за сгоревшим светодиодный чип. Правильность сборки необходимо тут же проверить.
ОСОБЕННОСТИ ПОДКЛЮЧЕНИЯ
1) Команды в ленте передаются от диода к диоду, паровозиком. У ленты есть начало и конец, направление движение команд на некоторых моделях указано стрелочками. Для примера рассмотрим ws2812b, у нее три контакта. Два на питание, а вот третий в начале ленты называется DI (digital input), а в конце – DO (digital output). Лента принимает команды в контакт DI! Контакт DO нужен для подключения дополнительных кусков ленты или соединения матриц.
2) Если в схеме возможна ситуация, при которой на ленту не будет подаваться питание 5V, но будет отправляться сигнал с микроконтроллера – лента начнёт питаться от дата-пина. В этом случае может сгореть как первый светодиод в ленте, так и пин контроллера. Не испытывайте удачу, поставьте резистор с сопротивлением 200-500 Ом. Точность резистора? Любая. Мощность резистора? Любая. Да, даже 1/4.
2.1) Если между лентой и контроллером (Arduino) большое расстояние, т.е. длинные провода (длиннее 50 см), то сигнальный провод и землю нужно скрутить в косичку для защиты от наводок, так как протокол связи у ленты достаточно скоростной (800 кГц), на него сильно влияют внешние наводки, а экранирование земляной скруткой поможет этого избежать. Без этого может наблюдаться такая картина: лента не работает до тех пор, пока не коснёшься рукой сигнального провода.
2.2) При подключении ленты к микроконтроллерам с 3.3V логикой (esp8266, ESP32, STM32) появляется проблема: лента питается от 5V, а сигнал получает 3.3V. В даташите указана максимальная разница между питанием и управляющим сигналом, если её превысить – лента не будет работать или будет работать нестабильно, с артефактами. Для исправления ситуации можно:
3) Самый важный пункт, который почему то все игнорируют: цифровой сигнал ходит по двум проводам, поэтому для его передачи одного провода от ардуины мало. Какой второй? Земля GND. Контакт ленты GND и пин GND Ардуино (любой из имеющихся) должны быть обязательно соединены. Смотрим два примера.
4) Питание. Один цвет одного светодиода при максимальной яркости кушает 12 миллиампер. В одном светодиоде три цвета, итого ~36 мА на диод. Пусть у вас есть метр ленты с плотностью 60 диод/метр, тогда 60*36 = 2.1 Ампера при максимальной яркости белого цвета, соответственно нужно брать БП, который с этим справится. Также нужно подумать, в каком режиме будет работать лента. Если это режимы типа «радуга», то мощность можно принять как половину от максимальной. Подробнее о блоках питания, а также о связанных с ними глюках читай здесь.
5) Продолжая тему питания, хочу отметить важность качества пайки силовых точек (подключение провода к ленте, подключение этого же провода к БП), а также толщину проводов. Как показывает мой опыт, брать нужно провод сечением минимум 1.5 квадрата, если нужна полная яркость. Пример: на проводе 0.75 кв.мм. на длине 1.5 метра при токе 2 Ампера падает 0.8 вольта, что критично для 5 вольт питания. Первый признак просадки напряжения: заданный программно белый цвет светит не белым, а отдаёт в жёлтый/красный. Чем краснее, тем сильнее просело напряжение!
6) Мигающая лента создаёт помехи на линию питания, а если лента и контроллер питаются от одного источника – помехи идут на микроконтроллер и могут стать причиной нестабильной работы, глюков и даже перезагрузки (если БП слабый). Для сглаживания таких помех рекомендуется ставить электролитический конденсатор 6.3V ёмкостью 470 мкФ (ставить более ёмкий нет смысла) по питанию микроконтроллера, а также более “жирный” конденсатор (1000 или 2200 мкФ) на питание ленты. Ставить их необязательно, но очень желательно. Если вы заметите зависания и глюки в работе системы (Ардуино + лента + другое железо), то причиной в 50% является как раз питание.
7) Слой меди на ленте не очень толстый (особенно на модели ECO), поэтому от точки подключения питания вдоль ленты напряжение начинает падать: чем больше яркость, тем больше просадка. Если нужно сделать большой и яркий кусок ленты, то питание нужно дублировать медным проводом 1.5 (или больше, надо экспериментировать) квадрата через каждый метр.
КАК ДЕЛАТЬ НЕЛЬЗЯ
Как мы уже поняли, для питания ленты нужен источник 5 Вольт с достаточным запасом по току, а именно: один цвет одного качественного светодиода на максимальной яркости потребляет 0.012 А (12 мА), соответственно весь светодиод – 0.036 А (36 мА) на максимальной яркости. У китайцев есть “китайские” ленты, которые потребляют меньше и светят тускло. Я всегда закупаюсь в магазине BTF lighting (ссылки в начале статьи), у них ленты качественные. Я понимаю, что порой очень хочется запитать ленту напрямую от Ардуино через USB, либо используя бортовой стабилизатор платы. Так делать нельзя. В первом случае есть риск выгорания защитного диода на плате Arduino (в худшем случае – выгорания USB порта), во втором – синий дым пойдёт из стабилизатора на плате. Если всё-таки очень хочется, есть два варианта:
- Не подключать больше количества светодиодов, при котором ток потребления будет выше 500 мА, а именно 500/32 ~ 16 штук
- Писать код на основе библиотеки FastLED, где можно ограничить ток специальной функцией. НО! В случае отключения пина Din от источника сигнала есть риск случайного включения ленты, и никакие программные ограничения не спасут от выгорания железа.
Вы наверное спросите: а как тогда прошивать проект с лентой? Ведь судя по первой картинке так подключать нельзя! Оч просто: если прошивка не включает ленту сразу после запуска – прошивайте. Если включает и есть риск перегрузки по току – подключаем внешнее питание на 5V и GND.
Подключение
Монтаж светодиодной ленты с функцией управления должен предусматривать три точки подключения – 2 для питания и 1 для команд управления. Контакты с маркировкой GND+5V или GND+12V подключаются к блоку питания ленты. Третий контакт имеет надпись DIN – это управляющий канал ленты digital input. DIN подключается к контроллеру, который чаще всего представлен чипом Arduino. Для правильной работы ленты должны быть соединены все контакты. При использовании чипов с резервным каналом данных у ленты будет 4 контакта, 2 из которых управляющие.
Чтобы исключить помехи и ложные команды, лента и блок управления соединяются через конденсаторы. Для 5 В это конденсатор 6,3 В на 1000 мкФ на диоды и 470 мкФ на контроллер. При этом конденсатор контроллера должен иметь сопротивление 200-500 Ом.
Питание нужно подбирать таким образом, чтобы его хватило на всю длину ленты из расчета 0,012 А на 1 цвет диода или 0,036 А на 1 диод при максимальной яркости.
Что не нужно делать с диодной лентой
Питается лента от 2 контактов – остальные передают сигнал. Если тока не будет хватать, то лента начнет запитывать его через DIN-канал, не предназначенный для питания, и выведет его из строя. Последствия:
- перегорит один или несколько диодов;
- сгорит контроллер питания на Arduino;
- выйдет из строя шина DIN по всей ленте.
При ручном или импровизированном управлении лентой нельзя подключать контроллер через USB, так как его питание также требует достаточного тока. Если USB-порт был нагружен более чем на 500 мА, то он выходит из строя. А если отключить контроллер при включенной ленте, есть риск загорания всех диодов на ленте и поломки из-за перегрузки контактов блока управления.
Чтобы избежать проблем, рекомендуется приобретать заводские решения от брендовых фирм. Такие ленты точно будут работать без перебоев и риска поломки.
Адресная диодная лента – интересное решение для повседневных и профессиональных задач. Преимущества светодиодного освещения перед обычным позволяют выполнить сложные задачи с неожиданными и красивыми результатами, применяя LED на любых поверхностях и под различными углами.
