ГАЙД ПО АДРЕСНОЙ СВЕТОДИОДНОЙ ЛЕНТЕ

Данный гайд посвящен адресной светодиодной ленте применительно к использованию с микроконтроллерами (Arduino, esp8266). Рассмотрены базовые понятия, подключение, частые ошибки и места для покупки.

КУПИТЬ АДРЕСНУЮ ЛЕНТУ

Лента WS2812

aliexpress
aliexpress

Гирлянда

aliexpress

Полоски

Aliexpress
Aliexpress

Кольца

16 диодов
1-241 диодов
1-93 диодов
Aliexpress

Матрицы

8х8
16×16
Aliexpress

ПАРАМЕТРЫ ЛЕНТ С ALIEXPRESS

  • Black PCB / White PCB — цвет подложки ленты, чёрная / белая
  • 1m/5m — длина ленты в метрах
  • 30/60/74/96/100/144 — количество светодиодов на 1 метр ленты
  • IPXX – влагозащита
    • IP30 лента без влагозащиты
    • IP65 лента покрыта силиконом
    • IP67 лента полностью в силиконовом коробе
  • ECO – “экономная” версия ленты, менее качественная и яркая чем обычная

КОНТРОЛЛЕРЫ

Адресные ленты можно подключить к готовому контроллеру и переключать режимы пультом/со смартфона.

Светомузыка

aliexpress

Контроллер 1

aliexpress

Контроллер 2

aliexpress

Контроллер 3

aliexpress

ТИПЫ АДРЕСНЫХ ЛЕНТ

Сейчас появилось несколько разновидностей адресных светодиодных лент, они основаны на разных светодиодах. Рассмотрим линейку китайских чипов с названием WS28XX.

Чип Напряжение Светодиодов на чип Кол-во дата-входов Купить в РФ
WS2811 12-24V 3 1 30 led, 60 led
WS2812 3.5-5.3V 1 1 30 led, 60 led, 144 led
WS2813 3.5-5.3V 1 2 (дублирующий) 30 led, 60 led
WS2815 9-13.5V 1 2 (дублирующий) 30 led, 60 led
WS2818 12/24V 3 2 (дублирующий) 60 led

У двухпиновых лент из линейки WS28XX достаточно подключить к контроллеру только пин DI, пин BI подключать не нужно. При соединении кусков ленты нужно соединять все пины!

WS2811 (WS2818) и WS2812

Сейчас популярны два вида ленты: на чипах WS2812b и WS2811 (и новая WS2818). В чём их разница? Чип WS2812 размещён внутри светодиода, таким образом один чип управляет цветом одного диода, а питание ленты – 5 Вольт. Чип WS2811 и WS2818 размещён отдельно и от него питаются сразу 3 светодиода, таком образом можно управлять цветом только сегментами по 3 диода в каждом. А вот напряжение питания у таких лент составляет 12-24 Вольта!

ЧТО ТАКОЕ АДРЕСНАЯ ЛЕНТА

Итак, данный гайд посвящен адресной светодиодной ленте, я решил сделать его познавательным и подробным, поэтому дойдя до пункта “типичные ошибки и неисправности” вы сможете диагностировать и успешно излечить косорукость сборки даже не читая вышеупомянутого пункта. Что такое адресная лента? Рассмотрим эволюцию светодиодных лент.

Обычная светодиодная лента представляет собой ленту с напаянными светодиодами и резисторами, на питание имеет два провода: плюс и минус. Напряжение бывает разное: 5 и 12 вольт постоянки и 220 переменки. Да, в розетку. Для 5 и 12 вольтовых лент нужно использовать блоки питания. Светит такая лента одним цветом, которой зависит от светодиодов.

RGB светодиодная лента. На этой ленте стоят ргб (читай эргэбэ – Рэд Грин Блю) светодиоды. Такой светодиод имеет уже 4 выхода, один общий +12 (анод), и три минуса (катода) на каждый цвет, т.е. внутри одного светодиода находится три светодиода разных цветов. Соответственно такие же выходы имеет и лента: 12, G, R, B. Подавая питание на общий 12 и любой из цветов, мы включаем этот цвет. Подадим на все три – получим белый, зелёный и красный дадут жёлтый, и так далее. Для таких лент существуют контроллеры с пультами, типичный контроллер представляет собой три полевых транзистора на каждый цвет и микроконтроллер, который управляет транзисторами, таким образом давая возможность включить любой цвет. И, как вы уже поняли, да, управлять такой лентой с ардуино очень просто. Берем три полевика, и ШИМим их analogWrit’ом, изи бризи.

Адресная светодиодная лента, вершина эволюции лент. Представляет собой ленту из адресных диодов, один такой светодиод состоит из RGB светодиода и контроллера. Да, внутри светодиода уже находится контроллер с тремя транзисторными выходами! Внутри каждого! Ну дают китайцы блэт! Благодаря такой начинке у нас есть возможность управлять цветом (то бишь яркостью r g b) любого светодиода в ленте и создавать потрясающие эффекты. Адресная лента может иметь 3-4 контакта для подключения, два из них всегда питание (5V и GND например), и остальные (один или два) – логические, для управления.

Лента “умная” и управляется по специальному цифровому протоколу. Это означает, что если просто воткнуть в ленту питание не произойдет ровным счётом ничего, то есть проверить ленту без управляющего контроллера нельзя. Если вы потрогаете цифровой вход ленты, то скорее всего несколько светодиодов загорятся случайными цветами, потому что вы вносите случайные помехи, которые воспринимаются контроллерами диодов как команды. Для управления лентой используются готовые контроллеры, но гораздо интереснее рулить лентой вручную, используя, например, платформу ардуино, для чего ленту нужно правильно подключить. И вот тут есть несколько критических моментов:

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:

  • Уменьшить напряжение питания ленты до 4.5V, “промышленные” (металлические в дырочку) блоки питания позволяют это сделать (у них есть крутилка).
  • Поставить конвертер (преобразователь) уровней с 3.3 до 5V на управляющий сигнал.
  • Также я придумал весьма грязный трюк с диодом: первый светодиод в ленте можно запитать от более низкого напряжения через любой кремниевый диод (например 1N4007), а остальные – как обычно. На диоде падает около 0.6V, таким образом сигнал пройдёт через ступеньку повышения 3.3-4.4-5.0V и всё будет работать стабильно. Для этого нужно аккуратно вырезать кусочек дорожки 5V между 1 и 2 светодиодом, подключить питание ко второму, и диодом оттуда же – на первый (см. схему #1 справа).
  • Ещё один способ с нашего форума: диодом “приподнять” землю самого микроконтроллера на те же 0,6V. Для этого диод ставится между GND питания катодом и GND микроконтроллера анодом (см. схему #2 справа).

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. Как? 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 12V ЛЕНТ

Если вы вдруг купили ленту на чипах WS2811/15/18, подключить её можно вот по этим двум схемам. Но следует помнить, что в прошивке нужно указать втрое меньшее количество светодиодов, так как каждый чип на этой ленте управляет тремя диодами, задаёт им один и тот же цвет!

ОТ ЧЕГО ПИТАТЬ ЛЕНТУ

Сетевые источники питания:

Самый простой и понятный вариант – мощный блок питания на 5 Вольт. Если рядом есть источник постоянки 12 Вольт – можно взять понижайку и настроить её на 5 Вольт. Но часто возникает желание сделать “беспроводной” девайс с бортовым источником питания. Как быть в этом случае? Согласно даташиту на WS2812b светодиод будет работать от напряжения 3.5-5.5 Вольт, собственно как и сама Arduino. Помним, что при питании ленты от напряжения ниже 5 Вольт будет уменьшаться максимальная яркость. Отсюда имеем следующие варианты:

  • Powerbank 5V – берём провод с USB штекером и подключаем по схемам выше. Через Ардуино не питаем, нельзя. Ёмкость паурбанков очень высокая, сами знаете. По току обычно можно снять 2 Ампера, есть паурбанки на 3 А
  • Батарейки – можно взять обычные АА батарейки, 3 штуки полностью заряженных (дадут 4,5 Вольт), либо 4 штуки чуть разряженных (дадут 5.5 Вольт). Ёмкость батареек очень небольшая. По току можно снять 1-2 Ампера (алкалин, литий. Солевые сразу в помойку)
  • Никелевые аккумуляторы – имеют напряжение ~1.4В после зарядки, можно смело поставить 4 штуки (~5.5 Вольт). Ёмкость сборки весьма достойная (до 2700 ма*ч), по току можно снять 2-3 Ампера
  • Литиевые аккумуляторы – напряжение в процессе разряда меняется с 4.2 до 3.0 Вольт, значит ленту можно питать, но светить будет на 10-30% менее ярко. Также нельзя забывать следить за напряжением, литий боится переразряда. Ёмкость – параллельно можно поставить много банок, по току – с обычных банок можно снять 3 Ампера (если стоят в параллель – то с каждой)

Вот здесь описаны проблемы дешёвых блоков питания и как с ними бороться.

  • Литиевый акум + повышайка – отличный способ сохранить полную яркость при небольшом количестве светодиодов, у китайцев есть куча повышаек с лития (3-4.2В) до 5 Вольт с максимальным током до 2 Ампер. Считай тот же powerbank, но можно более компактно разместить

ПОЧЕМУ НЕ РАБОТАЕТ?

  • Убедись, что земля ленты соединена с землёй ардуино КАК НА СХЕМЕ

  • Убедись, что сигнальный провод идёт в начало ленты (контакт DI) КАК НА СХЕМЕ

  • Убедись, что не перепутал 5в и GND. КАК НА СХЕМЕ

  • Цвет отдаёт в красный? У тебя слабый БП, некачественная пайка линии питания или слишком тонкие провода питания

  • Подключил без резистора и теперь не работает даже с резистором? Пин ардуино отбросил ласты, подключай в другой

  • Лента глючит и иногда показывает артефакты? У вас беды с питанием, читать гайд на форуме.

УПРАВЛЕНИЕ С ARDUINO

ВНИМАНИЕ! Во время загрузки и выполнения этого примера должно быть подключено внешнее питание! Иначе выгорит защита по току (диод) на плате Ардуино!

Для управления лентой можно выделить три библиотеки: FastLED, Adafruit NeoPixel и LightWS2812, из всех трёх рекомендую FastLED. Ниже привожу пример кода, который сначала показывает 3 цвета ленты на одном куске, плавно включая диоды. А потом ещё 3 цвета. Ну и ещё что-то, смотрите скетч.

#define PIN 13        // пин DI
#define NUM_LEDS 16   // число диодов

#include "Adafruit_NeoPixel.h"
Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(NUM_LEDS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

void setup() {
  strip.begin();
  strip.setBrightness(50);    // яркость, от 0 до 255

  strip.clear();                          // очистить
  strip.show();                           // отправить на ленту
}
void loop() {
  // заливаем трёмя цветами плавно
  for (int i = 0; i < NUM_LEDS / 3; i++ ) {   // от 0 до первой трети
    strip.setPixelColor(i, 0xff0000);     // залить красным
    strip.show();                         // отправить на ленту
    delay(100);
  }

  for (int i = NUM_LEDS / 3; i < NUM_LEDS * 2 / 3; i++ ) {   // от 1/3 до 2/3
    strip.setPixelColor(i, 0x00ff00);     // залить зелёным
    strip.show();                         // отправить на ленту
    delay(100);
  }

  for (int i = NUM_LEDS * 2 / 3; i < NUM_LEDS; i++ ) {   // от 2/3 до конца
    strip.setPixelColor(i, 0x0000ff);     // залить синим
    strip.show();                         // отправить на ленту
    delay(100);
  }

  delay(1000);

  // заливаем белым
  for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++ ) {   // всю ленту
    strip.setPixelColor(i, 0xffffff);     // залить белым
    strip.show();                         // отправить на ленту
    delay(10);
  }

  delay(1000);

  // заливаем чёрным
  for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++ ) {   // всю ленту
    strip.setPixelColor(i, 0x000000);     // залить чёрным
    strip.show();                         // отправить на ленту
    delay(10);
  }
  delay(1000);

  // включаем случайные диоды жёлтым
  for (int i = 0; i < 50; i++ ) {         // 50 раз
    strip.setPixelColor(random(0, NUM_LEDS), 0xffff00);     // залить жёлтым
    strip.show();                         // отправить на ленту
    delay(500);
  }
}
// пример с "бегущей радугой" для библиотеки FastLED

#define NUM_LEDS 144
#include "FastLED.h"
#define PIN 6
CRGB leds[NUM_LEDS];
byte counter;

void setup() {
  FastLED.addLeds<WS2811, PIN, GRB>(leds, NUM_LEDS).setCorrection( TypicalLEDStrip );
  FastLED.setBrightness(50);
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  for (int i = 0; i < NUM_LEDS; i++ ) {         // от 0 до первой трети
    leds[i] = CHSV(counter + i * 2, 255, 255);  // HSV. Увеличивать HUE (цвет)
    // умножение i уменьшает шаг радуги
  }
  counter++;        // counter меняется от 0 до 255 (тип данных byte)
  FastLED.show();
  delay(5);         // скорость движения радуги
}
  • Цвет кодируется 3-мя байтами, то бишь глубина его составляет 24 бита. У нас есть три цвета, каждый кодируется числом от 0 до 255, итого имеем 256*256*256 = 16 777 216 цветов, 16.8 миллионов оттенков может принимать КАЖДЫЙ светодиод в ленте. Цвета при программировании задаются в шестнадцатеричной кодировке вида 0xFFFFFF. Сам цвет здесь задаётся тремя байтами: красный зелёный синий, красный будет FF0000, синий 0000FF, зелёный 00FF00, то есть у каждого цвета есть яркость, которая задаётся шестнадцатеричным числом от 00 до FF. Например бледно жёлтый будет вот так 555500. При использовании библиотеки FastLED вам доступна куча преднастроенных цветов, их названия и коды можно посмотреть здесь.

    Надыбать коды цветов можно здесь https://get-color.ru/