Funkcje podłączenia i sterowania adresowalnym paskiem LED

Zastosowanie diod LED w elementach oświetleniowych daje projektantom sprzętu niemal nieograniczone możliwości. Do niedawna konsumentów fascynowały możliwości urządzeń zbudowanych w oparciu o trójkolorowe elementy promieniujące (RGB). Dziś pojawiły się nowe produkty, których potencjał wydaje się być nieograniczony.

Adresowalne paski LED

Takie urządzenie oświetleniowe stało się adresowym paskiem LED. Jasność i proporcje podstawowych kolorów, podobnie jak w konwencjonalnej lampie RGB, reguluje się metodą modulacji szerokości impulsu, która jest wykorzystywana w cyfrowej kontroli obciążenia. Podstawowa różnica między urządzeniem adresowalnym polega na tym, że każdy element emitujący światło jest sterowany oddzielnie (w przypadku konwencjonalnej taśmy cały segment wstęgi jest równomiernie oświetlony).

Możliwości adresowalnej taśmy LED.

Adres urządzenia taśmowego

Podstawą do budowy takich urządzeń oświetleniowych stały się adresowalne diody LED.Zawierają one rzeczywisty półprzewodnikowy element emitujący światło oraz indywidualny sterownik PWM. W zależności od rodzaju elementu adresowego dioda LED RGB może być umieszczona we wspólnej obudowie lub zostać wyjęta i podłączona do wyjść sterownika. Jako emiter światła można wykorzystać oddzielne diody LED lub zespół RGB. Napięcie zasilania również może być inne. Charakterystyki porównawcze typowych mikroukładów używanych do sterowania kolorowymi diodami LED pokazano w tabeli.

Pobór prądu jednego metra przez taśmę adresową jest dość duży, ponieważ moc zużywana jest nie tylko na żarzenie złącz p-n, ale także na straty przełączania sterowników PWM.

Urządzenie elementu lampy

Każda adresowalna dioda LED zawiera minimalną liczbę pinów:

• zasilacz U (VDD);
• wspólny przewód (GND);
• wprowadzanie danych (DIN);
• wyjście danych (DOUT).

Pozwala to na umieszczenie elementów z wbudowanymi emiterami w 4-pinowych obudowach (WS2812B).

Wyprowadzenia WS2812B.

Chipy z zewnętrznym złączem LED będą wymagały co najmniej trzech dodatkowych pinów do podłączenia diod LED.Dzięki temu standardowe opakowanie z 8 pinami ma jedną wolną nóżkę, którą programiści mogą wykorzystać do innych potrzeb.

Pinout WS2818 z dodatkowym wyjściem danych.

Tak więc projektanci układu WS2811 użyli wolnego pinu do przełącznika prędkości, a WS2818 do zapasowego wejścia danych (BIN).

Połączenie elementów

Wszystkie elementy znajdujące się na płótnie są połączone równolegle poprzez zasilanie oraz szeregowo poprzez magistralę danych. Wyjście sterujące jednego mikroukładu jest połączone z wejściem innego. Sygnał sterujący ze sterownika podawany jest na skrajne lewe wyjście DIN zgodnie z obwodem sterownika.

Schemat połączeń elementów na płótnie.

Lepiej jest zasilać diody LED i mikroukłady z oddzielnej jednostki, zwłaszcza jeśli taśma jest zasilana napięciem innym niż 5 V. Wspólny przewód sterownika i źródło napięcia muszą być podłączone.

Wygląd kawałka taśmy na WS2812B.

Kontrola blasku

Sterowanie elementami taśmy adresowej odbywa się poprzez magistralę szeregową. Zazwyczaj takie magistrale są budowane na obwodzie dwuprzewodowym - linii stroboskopowej i linii danych. Są też takie taśmy, ale są one mniej powszechne. Opisane urządzenia są sterowane przez obwód jednoprzewodowy. Umożliwiło to uproszczenie płótna, obniżenie jego kosztów. Ale jest to opłacane przez niską odporność na zakłócenia urządzenia LED. Wszelkie indukowane zakłócenia o wystarczającej amplitudzie mogą być interpretowane przez kierowców jako dane i oświetlane w sposób nieprzewidywalny. Dlatego podczas instalacji należy podjąć dodatkowe środki w celu ochrony przed zakłóceniami.

Protokół sterowania zawiera polecenia o długości 24 bitów. Zero i jeden są zakodowane jako impulsy o tej samej częstotliwości, ale o różnym czasie trwania.Każdy element zapisuje („zatrzaskuje”) swoje polecenie, po przerwie na określony czas przesyłane jest polecenie dla następnego mikroukładu i tak dalej wzdłuż łańcucha. Po dłuższej przerwie wszystkie elementy są resetowane i przesyłana jest kolejna seria poleceń. Wadą tej zasady budowania magistrali sterującej jest to, że awaria jednego mikroukładu przerywa przesyłanie poleceń dalej w łańcuchu. Sterowniki najnowszej generacji (WS2818 itp.) mają dodatkowe wejście (BIN), aby uniknąć tego problemu.

Przeczytaj także

Jak podłączyć adresowalną taśmę LED WS2812B do Arduino?

 

„Uciekający ogień”

Na osobne rozpatrzenie zasługuje tak zwana taśma SPI, która w życiu codziennym nazywana jest „biegnącym ogniem” ze względu na najczęściej budowany na niej efekt świetlny. Różnica między taką taśmą a rozważanymi typami polega na tym, że magistrala danych zawiera dwie linie - dla danych i dla impulsów zegarowych. Do takich urządzeń można zakupić komercyjnie produkowany kontroler z zestawem efektów, w tym wspomnianym „biegnącym ogniem”. Możesz także sterować blaskiem z konwencjonalnych kontrolerów PIC lub AVR (w tym Arduino). Ich zaletą jest zwiększona odporność na zakłócenia, a wadą konieczność zastosowania dwóch wyjść kontrolera. Może to stanowić ograniczenie przy budowie złożonych systemów oświetleniowych. Ponadto takie urządzenia charakteryzują się wyższym kosztem.

Taśma SPI z dwuprzewodową magistralą sterującą.

Schemat podłączenia oprawy i typowe błędy

Schemat włączania urządzeń multimedialnych ma wiele wspólnego ze schematem konwencjonalnych oświetlaczy RGB.Ale są też różnice – aby prawidłowo podłączyć adresowalną taśmę LED do kontrolera, trzeba mieć na uwadze kilka punktów.

1. Ze względu na zwiększony pobór mocy taśmy adresowej nie ma możliwości jej zasilania z płytki Arduino (w przypadku zastosowania małych segmentów jest to niepożądane). W ogólnym przypadku do zasilania wymagane będzie oddzielne źródło (w niektórych przypadkach może być takie, ale obwody zasilania dla diod LED i sterownika muszą być wykonane osobno). Ale powszechne przewody (GND) obwodów zasilających i płytki Arduino muszą być połączone. W przeciwnym razie system nie będzie działał.
2. Ze względu na zmniejszoną odporność na zakłócenia, przewody łączące wyjście sterownika z wejściem sieciowym powinny być jak najkrótsze. Jest wysoce pożądane, aby były nie dłuższy niż 10 cm. Nie będzie również zbędne podłączanie kondensatora C do linii energetycznej dla napięcia przekraczającego napięcie zasilania taśmy i o pojemności 1000 mikrofaradów. Konieczne jest zainstalowanie kondensatora w bezpośrednim sąsiedztwie taśmy, najlepiej na podkładkach kontaktowych.
3. Paski taśmy mogą zjednoczyć sekwencyjnie. Wyjście DOUT musi być połączone z wejściem DIN następnego elementu. Ale przy całkowitej długości przekraczającej 1 metr nie można użyć połączenia szeregowego - przewody linii energetycznych nie są przystosowane do wysokich prądów. I w tym przypadku konieczne jest zastosowanie równoległego połączenia segmentów.
4. W przypadku bezpośredniego podłączenia wyjścia kontrolera i wejścia DIN, w przypadku wystąpienia nienormalnej sytuacji w oprawie, wyjście kontrolera może ulec awarii. Aby tego uniknąć, w przerwie przewodu należy umieścić rezystor o rezystancji do kilkuset omów.

Nieprzestrzeganie tych prostych zasad może prowadzić do niesprawności systemu multimedialnego lub awarii jego komponentów.

Przeczytaj także

Jak podłączyć diodę LED do płyty Arduino?

 

Sprawdzanie stanu taśmy adresowej

Czasami jest taka potrzeba czeki oprawa do wydajności. I tu mogą pojawić się problemy, bo nie da się zapalić diod, podłączając zasilanie do taśmy. Nie będzie również możliwe sprawdzenie sprawności za pomocą testera: maksymalne możliwości w tym przypadku to dzwonienie o integralność linii energetycznych i połączeń. Dlatego głównym sposobem wykrycia wydajności oprawy jest podłączenie jej do sterownika.

Jeśli istnieje płótno z jednoprzewodową magistralą kontrolną, adresowalny pasek LED można sprawdzić dotykając palcem styku, do którego podawany jest sygnał sterujący (gdy zasilanie jest doprowadzone do paska). Może to spowodować zapalenie się jednej lub kilku diod LED.