Что такое адресная светодиодная LED лента: питание, мощность, подключение, выбор

Что такое адресная светодиодная лента

Адресная светодиодная лента – это длинная цветная RGB светодиодная лента на основе гибкой печатной платы, на которой на одной стороне размещаются RGB светодиоды с ограничивающими резисторами, конденсаторами и управляющими контроллерами. От обычной RGB светодиодной ленты адресная светодиодная лента отличается тем, что на ней все светодиоды подключаются параллельно и каждый из них отдельно управляется своим контроллером.

Как и для любой светодиодной ленты, адресной светодиодной ленте требуется стабилизированный источник питания с большим током отдачи.

Отличие обычной RGB ленты от адресной светодиодной ленты

Цвет обычной цветной светодиодной ленты задается одинаковым по всей длине одним внешним контроллером и таким образом можно задать практически любой цвет или оттенок. В адресной светодиодной ленте каждый установленный на ленте светодиод может управляться отдельно своим собственным ШИМ регулятором контроллером. Получается, что можно будет задать разные цвета всем светодиодам на ленте.

Очень часто управляемые RGB светодиоды в адресной светодиодной ленте подключаются к источнику питания 5 В, в таком случае на такой адресной светодиодной ленте все светодиоды подключаются параллельно. В последних современных версиях таких лент стали использовать соединение по три светодиода на участок последовательно, что позволило подключать их к источнику питания 12 В.

В отличии от обычной RGB цветной светодиодной ленты адресные светодиодные ленты не будут работать без управляющих команд, поступающих от внешнего управляющего процессора. Даже если их подключить к источнику питания, ни один светодиод не загорится, пока не поступит соответствующая команда на включение.

У адресных светодиодных лент есть начало и конец, что нужно учитывать при подключении. На многих лентах для удобства имеются стрелки, указывающие направление от начала к концу.

Где применяется адресная светодиодная лента

Спектр применения адресных светодиодных лент также широк, как и у обычных RGB лент. Их применяют для декоративной подсветки различных объектов, салонов автомобилей, для декорирования интерьера и особенно активно применяют при оформлении рекламных вывесок. Благодаря возможности управления каждым светодиодом по отдельности с помощью адресных светодиодных лент можно составлять целые ленты для демонстрации текста или даже огромные панели для полноценного показа цветных изображений.

На основе адресных светодиодных лент собирается большинство уличных телевизионных панелей для показа видеорекламы.

Какие бывают адресные светодиодные ленты

Для управления светодиодами адресных светодиодных лент могут применять чипы WS2811 и WS2812B. Чип WS2811 изготавливается в корпусе DIP-8 или SOP-8, и монтируется непосредственно на светодиодную ленту. Если светодиодная лента рассчитана на напряжение 5В, то такая интегральная микросхема устанавливается рядом с каждым RGB светодиодом. При использовании питания 12В такой чип устанавливается один на три светодиода.

Более современный чип WS2812B настолько маленький, что его размещают непосредственно в корпусе RGB светодиода. Такие светодиоды на ленте размещаются гораздо плотнее и для питания применяется источник 5 В.

В адресных (пиксельных) светодиодных лентах светодиоды подключаются параллельно, при питании от 5В, а вот данные от драйвера к драйверу передаются последовательно. В этом есть одно большое неудобство, если один из ШИМ-регуляторов выйдет из строя, все следующие после него светодиоды перестанут работать. Для решения данной проблемы была выпущена следующая серия чипов WS2813, которые позволяют использовать четвертую дублирующую дорожку для передачи данных. С чипами WS2813 все исправные светодиоды будут работать, даже если в цепи некоторые выйдут из строя.

Технические характеристики

Адресная светодиодная лента состоит из RGB-светодиодов в SMD корпусе 5050 и микрочипов ШИМ-драйверов. В настоящее время наиболее популярными являются адресные LED-ленты с использованием чипов WS2811 и WS2812B. Модификация WS2811 представляет собой интегральную микросхему (ИМС) в корпусе DIP-8 (9,2х6,4 мм) или SOP-8 (5,1х4,0 мм). Данный 3-канальный драйвер имеет следующую конфигурацию выводов:

• 1 – ШИМ-регулируемый выход (красный);
• 2 – ШИМ-регулируемый выход (зелёный);
• 3 – ШИМ-регулируемый выход (синий);
• 4 – общий;
• 5 – выход передачи данных;
• 6 – вход передачи данных;
• 7 – выбор режима работы;
• 8 – питание +5В.

В адресной ленте с использованием чипа WS2811 и питанием 5 вольт микросхема драйвера располагается в непосредственной близости перед каждым RGB-светодиодом SMD 5050, рядом с которым также установлены токоограничивающие резисторы и конденсатор, защищающий от помех. Но на сегодняшний момент такие модели устарели и встречаются крайне редко. Сегодня в продаже имеются адресные светодиодные ленты на чипах WS2811 только с питанием от +12 В. В этом случае чип WS2811 управляет не одним светодиодом, а группой из 3 штук.

Не успела ИМС WS2811 обрести популярность, как её место заняла более совершенная WS2812B. Данный тип ШИМ-драйвера намного компактнее и размещается непосредственно в корпусе светодиода SMD 5050. Если присмотреться, то под прозрачным люминофором можно увидеть миниатюрный чёрный прямоугольник с отходящими позолоченными проводниками.

Подобная унификация позволила значительно упростить сборку адресных светодиодных лент и модулей, а сам WS2812B имеет лишь 4 вывода:

• 1 – питание (+3,5… +5,3 В);
• 2 – выход передачи данных;
• 3 – общий;
• 4 – вход передачи данных.

ИМС драйвера потребляет не более 1 мкА, а максимальный ток одного адресного светодиода составляет 60 мА. Диапазон рабочих температур: от -25 до +80°C.

При выборе адресной светодиодной ленты важным критерием является степень защиты от влаги и пыли. Для использования в уличных условиях подойдут только модели с IP65 и IP67.

Как подключается адресная светодиодная лента

Для подключения современной адресной светодиодной ленты требуется три контакта, два из которых относятся к питанию, третий управляющий. Контакты питания, подписанные как GND, +5V или +12V в зависимости от модификации, подключаются к источнику питания. Третий контакт DIN предназначен для передачи контроллерам управляющих данных (digital input), он подключается к управляющему контроллеру, в качестве которого очень часто выступает Arduino. Для передачи данных контакты GND адресной светодиодной ленты и управляющего контроллера должны быть соединены.

ШИМ-драйверы любую помеху по цепи питания могут принять за управляющий сигнал, и чтобы во время работы ничего не мешало правильному поступлению сигнала по управляющему каналу, в цепь питания светодиодной ленты и Arduino устанавливают электролитические конденсаторы большой емкости. Например, если все запитано напряжением 5В, то на цепь питания светодиодной ленты нужно установить конденсатор 6.3В 1000 мкФ, на цепь питания Arduino 6.3В 470 мкФ. Контакт DIN подключается к Arduino через сопротивление от 200 Ом до 500 Ом.

ШИМ-драйверы, устанавливаемые на адресную светодиодную ленту, 8-битные, а это значит, что на каждый цвет можно устанавливать 256 различных градаций яркости. На один трехцветный светодиод для управления понадобится передать драйверу 3 байта информации, что позволит получить 16,5 млн оттенков.

Управление работой адресной светодиодной ленты

Адресная светодиодная лента при простом подключении питания не будет каким-либо образом реагировать на появление питания. Для включения ей требуется поступление управляющего кода на контакт DIN. Вполне возможно, что случайные или намеренный касания руками этого контакта могут привести к появлению помех, что воспримется драйвером как сигнал и какой-то из светодиодов начнет светиться.

При правильном подключении на управляющий вход светодиодной ленты поступает цифровой сигнал по 3 байта на каждый светодиод. 1 бит информации передается за 1.25 мкс, весь пакет данных для одного светодиода будет передан за 30 мкс. Первый ШИМ-драйвер забирает первый пришедший пакет из 3 байт и передает следующие данные дальше. После отправки первого пакета делается пауза 50 мкс, что дает понять следующему драйверу о необходимости принимать данные. Так происходит передача данных всем следующим светодиодам до момента, пока пауза не превысит 50 мкс. Более длительная пауза будет говорить о том, что цикл будет повторяться заново с отправкой новых данных.

При использовании Arduino предлагается использовать готовые библиотеки, с помощью которых наиболее просто написать программы для управления адресными светодиодными лентами. К таким относятся FastLED и Adafruit NeoPixel.

Как подключить адресную ленту к Ардуино

Для занятия нам понадобятся следующие детали:

• плата Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
• лента WS2812B;
• макетная плата;
• 1 резистор от 100 до 500 Ом;
• провода «папа-папа».

WS2812B светодиоды довольно энергоемкие, один светодиод потребляет до 60 мА при максимальной яркости. Для ленты со 100 диодами потребуется блок питания на 6 и более Ампер. Микроконтроллер Arduino и светодиодная лента могут быть подключены к разным источникам питания, но «земля» должна быть общая. Дело в том, что пин GND тоже участвует в управлении адресной лентой от платы Ардуино Уно.

Схема подключения адресной ленты 5 Вольт к Ардуино

Для работы с лентой используются три популярные библиотеки — FastLED, AdafruitNeoPixel и LightWS2812. Все библиотеки доступны для скачивания на нашем сайте здесь. Работать с библиотеками FastLED и Adafruit NeoPixel просто, отличаются они в функциональности и объеме занимаемой памяти. После сборки этой простой схемы и установки библиотек, загрузите скетч для адресной светодиодной ленты.

Скетч. Тестирование адресной ленты WS2812

#include <Adafruit_NeoPixel.h> // подключаем библиотеку #define PIN 10 // указываем пин для подключения ленты #define NUMPIXELS 3 // указываем количество светодиодов в ленте // создаем объект strip с нужными характеристиками Adafruit_NeoPixel strip (NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800); void setup() { strip.begin(); // инициализируем ленту strip.setBrightness(50); // указываем яркость светодиодов (максимум 255) } void loop() { strip.setPixelColor(0, strip.Color(255, 0, 0)); // включаем красный цвет на 1 светодиоде strip.show(); // отправляем сигнал на ленту delay(500); strip.clear(); // выключаем все светодиоды strip.setPixelColor(1, strip.Color(0, 0, 255)); // включаем синий цвет на 2 светодиоде strip.show(); // отправляем сигнал на ленту delay(500); strip.clear(); // выключаем все светодиоды strip.setPixelColor(2, strip.Color(255, 255, 255)); // включаем белый цвет на 3 светодиоде strip.show(); // отправляем сигнал на ленту delay(500); strip.clear(); // выключаем все светодиоды }

Пояснения к коду:

1. нумерация светодиодов в ленте начинается с нуля, поэтому если мы хотим включить первый светодиод, то указывать надо «0».

Схема подключения адресной ленты 12 Вольт к Ардуино
Если у вас лента на 12 Вольт, то ее нужно подключать по схеме, размещенной выше. Резистор на цифровом пине защищает его от выгорания (если питание к ленте будет отключено, то она начнет питаться от цифрового пина, при этом пин может выгореть. Также не стоит подключать питание ленты к плате Ардуино, иначе может выгореть защитный диод на Ардуино или USB порт на компьютере (в худшем случае).

Скетч. Управление адресной лентой Ардуино

#include <Adafruit_NeoPixel.h> // подключаем библиотеку #define PIN 10 // указываем пин для подключения ленты #define NUMPIXELS 3 // указываем количество светодиодов в ленте // создаем объект strip с нужными характеристиками Adafruit_NeoPixel strip (NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800); void setup() { strip.begin(); // инициализируем ленту strip.setBrightness(50); // указываем яркость светодиодов (максимум 255) } void loop() { // поочередно включаем красный цвет for (int i = -1; i < NUMPIXELS; i++) { strip.setPixelColor(i, strip.Color(255, 0, 0)); strip.show(); delay(100); } // поочередно включаем зеленый цвет for (int i = -1; i < NUMPIXELS; i++) { strip.setPixelColor(i, strip.Color(0, 255, 0)); strip.show(); delay(100); } // поочередно включаем синий цвет for (int i = -1; i < NUMPIXELS; i++) { strip.setPixelColor(i, strip.Color(0, 0, 255)); strip.show(); delay(100); } }

Пояснения к коду:

1. с помощью библиотеки Adafruit NeoPixel довольно просто управлять адресной лентой. В примерах к библиотеке можно найти много различных эффектов. Мы продемонстрировали простой вариант с циклом for для включения ленты.

Заключение. В этом обзоре мы рассмотрели лишь подключение и возможность управления адресной лентой от Ардуино. Так как возможности работы с библиотеками FastLED, AdafruitNeoPixel довольно разнообразны. Больше интересных примеров на Arduino и WS2812B размещено в разделе Проекты на Ардуино, где представлены проекты с бегущей строкой на адресной ленте и другие световые эффекты.

Мощность адресной светодиодной ленты

Мощность адресной цветной светодиодной ленты зависит от плотности размещения светодиодов на ленте и от длины ленты. Драйверы, которые управляют светодиодами, потребляют настолько мало, что при расчетах их можно не учитывать.

Каждый цветной светодиод на ленте потребляет в среднем около 60 мА, это примерно 20 мА на каждый цвет. Зная количество светодиодов, размещенных на одном метре ленты, можно легко подсчитать общую мощность подключенной ленты.

В светодиодной ленте на 5В все светодиоды подключены параллельно. Если взять для примера один метр адресной светодиодной ленты с плотностью светодиодов 60 штук на метр, то общий потребляемый ток такой ленты составит 3.6А. Это обязательно нужно учитывать при выборе блока питания.

Протокол

Теперь, когда мы разобрались, как подключить нашу ленту к Arduino, нам надо понять, как ею управлять, для этого в даташите есть описание протокола, который мы сейчас и рассмотрим. Каждый светодиод WS2812B имеет один вход (DIN) и один выход (DO). Выход каждого светодиода подключается ко входу следующего. Подавать сигналы же надо на вход самого первого светодиода, таким образом, он запустит цепь, и данные будут поступать от первого ко второму, от второго к третьему и т. д. Команды светодиодам передаются пачками по 24 бита (3 байта, один байт на каждый цвет, первым передается байт для зеленого, потом для красного, и заканчивает байт для синего светодиода.

Вывеска из светодиодной ленты.

Порядок бит – от старшего к младшему). Перед каждой пачкой идет пауза в 50 мкс. Пауза больше 100 мкс воспринимается как окончание передачи. Все биты, будь то 0 или 1, имеют фиксированное время 1.25 мкс. Бит 1 кодируется импульсом в 0.8 мкс, после чего идет пауза в 0.45 мкс. Бит 0 кодируется импульсом в 0.4 мкс, после чего идет пауза в 0.85 мкс. Собственно, наглядная диаграмма на фото ниже. Так же допускаются небольшие погрешности в 0-150 нс на каждый фронт. Ну и следует учесть, что подобное необходимо повторить для каждого светодиода на ленте, после чего сделать паузу минимум в 100 мкс. Потом можно повторить передачу.

Глядя на все эти цифры, становится ясно, что сделать все это, используя стандартные функции digitalWrite, delay и тому подобные – попросту невозможно, ввиду их долгой работы и неточности. Реализовать подобный протокол можно только использовав специальные библиотеки вроде CyberLib или написав собственную на чистом Си или, того хуже для нынешнего программиста, на Ассемблере. Но не все так плохо, как кажется. Светодиоды WS2812B довольно таки популярны в Arduino сообществе, а это значит, что нам не придётся вдаваться в такие сложности, и достаточно выбрать одно из понравившихся решений.

Будет интересно➡ Что такое Диод Зенера

Достоинства и недостатки адресных светодиодных лент

Основные достоинства и недостатки адресной светодиодной ленты такие же, как и у обычных LED лент. Но есть некоторые особенности, которые являются их отличительной чертой.

Достоинства пиксельных LED лент: множество вариантов использования; высокая яркость и низкое энергопотребление; возможность передачи любого цвета; возможность управления каждым светодиодом по отдельности.

Недостатки пиксельных LED лент: невозможность использования при отрицательных температурах, появляются сбои в работе драйвера; невозможно включить светодиодную ленту без управляющих сигналов; требуются мощные блоки питания.