Драйверы светодиодов WS2801, WS2812B, WS2813, APA102: особенности и ограничения в проектах декоративного освещения

Какие особенности имеют популярные драйверы светодиодов WS2801, WS2812B, WS2813 и APA102. Каковы их основные преимущества и недостатки при использовании в проектах декоративного освещения. На что обратить внимание при выборе и применении этих микросхем.

Содержание

Обзор популярных драйверов светодиодов для декоративного освещения

В современных проектах декоративного и интерьерного освещения широко используются так называемые «умные» светодиоды, позволяющие управлять цветом и яркостью каждого отдельного светодиода в ленте или матрице. Ключевым компонентом таких систем являются специализированные драйверы светодиодов, среди которых наибольшее распространение получили микросхемы серий WS2801, WS2812B, WS2813 и APA102.

Рассмотрим основные особенности и характеристики этих популярных драйверов:

WS2801

3-канальный драйвер RGB-светодиодов
Управление по 2-проводному интерфейсу (данные + тактовый сигнал)
Напряжение питания 3.3-5В
Выходной ток до 150 мА на канал
Частота обновления до 25 МГц

WS2812B

Интегрированный в корпус светодиода драйвер
Управление по 1-проводному интерфейсу
Напряжение питания 5В
Выходной ток до 18 мА на канал
Частота обновления до 800 кГц

WS2813

Улучшенная версия WS2812B
Дополнительная линия для резервирования сигнала
Напряжение питания 3.7-5В
Выходной ток до 20 мА на канал
Частота обновления до 2 МГц

APA102

Управление по 2-проводному SPI-интерфейсу
Встроенный ШИМ-контроллер с частотой 19.2 кГц
Напряжение питания 5В
Выходной ток до 20 мА на канал
Частота обновления до 20 МГц

Преимущества и недостатки WS2801 в проектах декоративного освещения

Драйвер WS2801 обладает рядом достоинств, делающих его привлекательным выбором для многих проектов:

Высокая надежность за счет раздельных линий данных и тактирования

Широкий диапазон выходного тока (5-150 мА)
Возможность работы при низких температурах (до -40°C)
Простота управления и интеграции с микроконтроллерами

Однако у WS2801 есть и некоторые ограничения:

Более высокая стоимость по сравнению с интегрированными решениями
Необходимость в дополнительных компонентах (светодиоды, резисторы)
Меньшая плотность размещения светодиодов в ленте

Особенности применения WS2812B и WS2813 в светодиодных проектах

Интегрированные драйверы WS2812B и WS2813 получили огромную популярность благодаря своей компактности и простоте применения. Они имеют ряд преимуществ:

Миниатюрные размеры и высокая плотность размещения
Простое однопроводное управление
Низкая стоимость готовых светодиодных лент
Широкий выбор готовых модулей и аксессуаров

Однако у этих решений есть и существенные недостатки:

Чувствительность к помехам в линии данных

Ограниченный диапазон рабочих температур (обычно до -20°C)
Сложность ремонта при выходе из строя отдельных светодиодов
Жесткие требования к тайминГам управляющих сигналов

Преимущества APA102 для создания качественных световых эффектов

Драйвер APA102 сочетает в себе преимущества WS2801 и WS2812B, предлагая более совершенное решение для создания качественных световых эффектов:

Высокая частота обновления (до 20 МГц)
Встроенный высокочастотный ШИМ-контроллер
Возможность точной настройки яркости (256 уровней)
Надежный SPI-интерфейс управления
Отсутствие строгих требований к тайминГам сигналов

К недостаткам APA102 можно отнести:

Более высокую стоимость по сравнению с WS2812B
Необходимость в дополнительной линии для тактового сигнала
Меньшую распространенность готовых модулей и лент

Ограничения в использовании «умных» светодиодов в декоративном освещении

При разработке проектов декоративного освещения на основе «умных» светодиодов следует учитывать ряд общих ограничений, присущих данной технологии:

Ограниченная максимальная длина светодиодной цепочки
Необходимость в мощном и стабильном источнике питания
Сложность создания крупномасштабных инсталляций
Чувствительность к электростатическим разрядам
Ограниченный срок службы при работе на максимальной яркости

Перспективы развития технологий управляемого светодиодного освещения

Технологии «умного» светодиодного освещения продолжают активно развиваться. Среди основных тенденций можно выделить:

Повышение энергоэффективности и яркости светодиодов
Расширение цветового охвата и улучшение цветопередачи
Интеграция с системами «умного дома» и IoT
Развитие беспроводных технологий управления освещением
Создание программно-аппаратных комплексов для построения масштабных световых инсталляций

Можно ожидать появления новых типов драйверов, сочетающих в себе преимущества существующих решений и предлагающих расширенные возможности управления. Это позволит создавать еще более впечатляющие и функциональные системы декоративного освещения.

WS2812B, WS2813, APA102 Ограничения в использовании умных светодиодов в современных проектах декоративной светотехники / Хабр

Уже несколько лет на рынке светотехники можно встретить такие названия, как: «smart led strip», «smart led pixel» и подобные. Как правило, «умный пиксель» — это сборка из миниатюрного 3-х канального светодиодного драйвера (с интегрированным стабилизатором тока, PWM модулятором и сдвиговым регистром), подключенная к RGB светодиоду. На базе таких пикселей многие производители выпускают «умные» гибкие светодиодные ленты, LED «гвозди» и LED кластера. Также можно встретить такие модели чипов, как WS2812, WS2813, с интегрированным LED драйвером непосредственно в корпус 5050 RGB светодиода. Малые габариты, большое количество последовательно включенных пикселей (более 1000 шт.), простота управления по 1(2) проводу и сравнительно низкая стоимость решения — более чем оправдывают их применение.

Эта моя первая публикация на Хабре, в которой я хочу донести мой опыт использования и обозначить недостатки таких пикселей. За несколько последних лет я успел поработать со следующими LED драйверами: LPD6803, WS2801, WS2811, WS2812(B), TM1903, UCS1903, TM1804, TM1803, SM16716 и другими менее ходовыми. В интернете часто можно встретить такой термин как «светодиодная лента с пиксельной адресацией» — я с этим совершенно не согласен, и это является первым ограничением.

Информация в такие ленты/пиксели загружается по последовательному каналу, а именно через сдвиговые регистры с 24-х битной разрядностью (как правило), т.е. 3 канала по 8 бит для RGB. Никаких адресов такие LED пиксели не помнят и работают исключительно по последовательному принципу. Отсутствие сигнала управления на линии данных или синхронизации (если таковая есть), служит командой для преобразования значений в регистрах в PWM сигналы для RGB светодиодов. По этой причине, при выходе из строя информационного канала одного из пикселей, последующие пиксели перестанут корректно работать. Многие неопытные LED «рекламисты» наступили на эти грабли, применяя такие пиксели для уличных экранов.

Рисунок ниже демонстрирует «битые» полоски.

Второе ограничение связанно с температурой использования. В большинстве случаев у пикселей, что управляются только по одному проводу «DATA», к примеру, WS2812B — нижняя температура использования -25 градусов. На практике, часто от -15 градусов. Это связанно с отсутствием хорошего кварцевого блока регенерации сигнала внутри чипа. Таким образом, при низких температурах пиксель перестает корректно работать, наблюдаются «сверчки» и т.п. до полного отсутствия картинки. Другое дело — чипы с синхронизацией: WS2801, LPD6803, к примеру. Здесь имеется хорошая регенерация сигналов по уровням, по времени — регенерация не нужна, поскольку имеется линия синхронизации. Рабочая температура в этом случае от -40 градусов. Но и стоят эти чипы вдвое дороже.

Третье ограничение — глубина цвета.

Рисунок ниже демонстрирует экраны собранный на чипах WS2801.

Не вооруженным глазом заметно, что экран с фоном засвечен. Низкие уровни градиента «умные пиксели» (WS2812, WS2801 и т.п. практически все) не способны воспроизводить так, как это делают современные экраны. Это связанно с низкой разрядностью интегрированного в чип PWM генератора (всего 8 бит на канал) и как следствие – отсутствие полноценной гамма коррекции. Проще говоря, светодиод светит слишком ярко, когда хочется совсем чуть-чуть и ничего с этим нельзя поделать.

Ощутимым минусом, во всяком случае для меня, было отсутствие хорошего софта подготовки и конвертирования анимации, непосредственно для вывода на «железки». Это явилось четвертым ограничением.
Поначалу я использовал софт «LedEdit».

«LedEdit» обеспечивает возможность создания и редактирования видео анимации, захвата и последующего конвертирования на «железо». Но использовать этот софт я могу только совместно с их контроллерами. Также я выявил большие недостатки софта «LedEdit» в плане качества видео захвата и стабильности обработки кадров.

Пятое ограничение связано с китайским железом для управления LED лентами на базе умных пикселей, а именно рандомный FPS (частота отрисовок кадров в секунду) который часто падал до уровня слайд шоу (8-12 FPS) при полной загрузке. Картинка дергалась, плавность переходов оставляла желать лучшего. По этой причине также разработал свое железо для этой задачи.

Поскольку в этой теме я был очень заинтересован и обладал неплохими знаниями в области программирования, в том числе микроконтроллеров, я написал свой «граббер» видео с последующей конвертацией на «пиксели». Идею объединить в одной программе возможности создания и конвертирования анимации я сразу отложил, поскольку это не профессиональный подход. Анимацию нужно создавать и редактировать в специализированных программах, к примеру, я выбрал FREE программное обеспечение «Jinx!».

На выходе ПО «Jinx!» можно получить открытый бинарный файл *.out представляющих битовое представление данных прямоугольной матрицы из пикселей для каждого кадра. Теперь дело остается за немногим: сопоставить прямоугольную матрицу из данных для каждого кадра с реальным расположением «умного пикселя» на пиксельном поле и произвести граб анимации. Так у меня родилось программное обеспечение «Light Studio Terminal».

Скачать LS Terminal

Сейчас ПО «LS Terminal» позволяет работать с большинством видео форматов *.avi, *.flv и д.р., использовать десятки портов, качественно обрабатывать видео захват для десятков тысяч «умных пикселей» расставленных по полю пользователем.

— Light Studio Terminal / Базовый, обучающий ролик.

— Light Studio Terminal / стресс тест на 100K пикселей.

Для обработки и визуализации видео я использовал библиотеки OpenCV и OpenGL. Выгрузку данных на «железо» осуществляю посредством контроллера, который считывает данные с SD карты и формирует необходимые сигналы управления для цифровой LED ленты.

Схема выглядит довольно просто:

В целом, я привел все основные недостатки «умных пикселей» и если их вынести за скобки, то мы можем увидеть десятки тысяч реализованных проектов.

мой YouTube с обзорами

Вот некоторые из них выполненные с помощью граббера видео Light Studio Terminal:

— для LED костюмов:

— AmbiBox CS GO контроллер iqLED RS + WS2813

— Барабанное шоу

Полезные обзоры:
— WS2815 VS WS2813

— APA102 vs SK9822

WS2801 Driver; PWM controller; контроллер LED; 5?150мА; -0,4?6В; SO14 производства WS2801

нет в наличии

по запросу

Запросить

Вы можете запросить у нас любое количество WS2801, просто отправьте нам запрос на поставку.
Мы работаем с частными и юридическими лицами.

WS2801 описание и характеристики

Driver; PWM controller; контроллер LED; 5?150мА; -0,4?6В; SO14

Вес
0. 169g

Бесплатная доставка

Доставим прямо в руки или в ближайший пункт выдачи

Смежные товары

FK 251 10 LF PAK

Радиатор: прессованный; L: 13мм; W: 15мм; H: 10мм; 24К/Вт; медь; SMT

от 194 ₽

+2910 баллов

Подробнее

OSTA71A1D-A

LED Super Flux; 7,62×7,62мм; трехцветный; RGB; 3000мкд; 4200мкд

от 194 ₽

+2910 баллов

Подробнее

12-23C/R6GHBHC-A01/2C

LED; SMD; 1206; RGB; 3×1,5×1мм; 100°; 25мА; λd: 470нм,525нм,624нм

от 194 ₽

+2910 баллов

Подробнее

MS-DIP/SMD1

Плата: универсальная; односторонняя,макетная; W: 60мм; L: 100мм

от 194 ₽

+2910 баллов

Подробнее

5251

Тест-клипса; синий; Расст. между рядами: 19,18/10,41мм; позолота

от 194 ₽

+2910 баллов

Подробнее

EL.VAMPIRE-540

Инструмент: вакуумный захват; SMD; L: 150мм; Ø: 15мм

по запросу

Подробнее

OSTCXBCBC1E

LED мощный; STAR, трехцветный; P:6Вт; RGB; 120°; 40-60лм; 80-100лм

по запросу

Подробнее

PR2035E/5R

Клей для элементов SMD; шприц; 10мл

по запросу

Подробнее

SMD-EXT

Инструмент: экстрактор микросхем; SMD

по запросу

Подробнее

Куда доставить заказ?

Москва

Добавьте точный адрес, удобный пункт выдачи или постамат, чтобы заранее увидеть условия доставки товаров

Выберите город

WS2801 IC — COM-10444 — SparkFun Electronics

Устарело COM-10444 RoHS

Примечание: Снятый с производства продукт
Этот продукт был исключен из нашего каталога и больше не продается. Эта страница доступна для тех, кто ищет спецификации и просто любопытных.

Избранное Любимый 0
Список желаний
Пенсионер COM-10444 RoHS
Примечание: Снятый с производства продукт
Этот продукт был исключен из нашего каталога и больше не продается. Эта страница доступна для тех, кто ищет спецификации и просто любопытных.
Описание
Функции
Документы
Вы можете узнать WS2801 по нашим адресным светодиодным лентам RGB. Эти 3-канальные драйверы светодиодов постоянного тока отлично подходят для управления цепочками светодиодов RGB. ИС управляется двухпроводной последовательной схемой управления, которая позволяет объединять несколько ИС в цепочку.
Используйте несколько этих микросхем в сочетании с некоторыми RGB-светодиодами для создания цветных дисплеев или с обычными светодиодами для создания монохромного дисплея в три раза больше. Или просто WS2801, чтобы освободить контакты ШИМ на вашем микротроллере, управляя несколькими светодиодами с помощью двух контактов.
Двухпроводная схема управления снижает стоимость системы
Встроенная схема диммирования ШИМ для каждого канала
Возможность автономной работы ШИМ
Напряжение питания 3,3-5,5 В
Поддерживает режимы привода постоянного тока и постоянного напряжения
Широкий диапазон постоянного тока от 5 до 150 мА
Справка и ресурсы по продукту WS2801 IC
Необходимые навыки
Основной навык:
Пайка
Этот навык определяет сложность пайки конкретного изделия. Это может быть пара простых паяных соединений или потребуются специальные инструменты для оплавления.
3 Пайка
Уровень навыка: Компетентный — Вы столкнетесь с компонентами для поверхностного монтажа, и вам потребуются базовые методы пайки SMD.
Просмотреть все уровни навыков
Основной навык:
Программирование
Если плате нужен код или она каким-то образом взаимодействует, вам нужно знать, как программировать ее или взаимодействовать с ней. Навык программирования связан с общением и кодом.
2 Программирование
Уровень навыка: Новичок . Вам потребуется лучшее понимание того, что такое код и как он работает. Вы будете использовать программное обеспечение начального уровня и инструменты разработки, такие как Arduino. Вы будете иметь дело непосредственно с кодом, но доступны многочисленные примеры и библиотеки. Датчики или экраны будут связываться с последовательным или TTL.
Просмотреть все уровни навыков
Основной навык:
Электрические прототипы
Если для этого требуется питание, вам нужно знать, сколько, что делают все контакты и как их подключить. Возможно, вам придется обращаться к таблицам данных, схемам и знать все тонкости электроники.
3 Электрическое прототипирование
Уровень квалификации: Компетентный — Вам потребуется обратиться к таблице данных или схеме, чтобы знать, как использовать компонент. Ваше знание таблицы данных потребует только основных функций, таких как требования к питанию, распиновка или тип связи. Кроме того, вам может понадобиться блок питания с напряжением более 12 В или силой тока более 1 А.
Просмотреть все уровни навыков
Комментарии 28
Отзывы 0
Отзывов пока нет.
A 3-канальный драйвер светодиодов постоянного тока
Ада Гарсия
•
24 августа 2022 г.
ФАКТЫ ПРОВЕРЕНЫ Bob Smith
RGB-светодиоды имеют множество применений, от декоративное освещение (предметы интерьера) для сценического освещения, досок объявлений и подсветки телевизора. Вместо создания светодиодной системы с нуля вы можете использовать готовую светодиодную систему, чтобы облегчить себе работу. Одной из таких систем является адресная светодиодная лента WS2801. Если вам нужно такое освещение для вашего проекта, посмотрите на ленточный свет крупным планом. Давайте погрузимся!

Что такое адресная светодиодная лента WS2801?
WS2801 — это драйвер светодиодов постоянного тока, содержащий полосу светодиодов для внутренних и наружных дисплеев. Он имеет три выходных канала для красного, зеленого и синего света, и каждый управляет максимальным постоянным током 30 мА. В основе полосы находится микросхема контроллера WS2801, содержащая следующее:
Выходные регистры
Последовательные сдвиговые регистры
Защелки данных
Внутренний генератор
Генератор опорного напряжения с запрещенной зоной
Программируемые драйверы постоянного выходного тока
В этом устройстве используется 2-проводная схема, которая является доступной и идеально подходит для недорогих декоративных светодиодных систем.
Конфигурация контактов WS2801

Характеристики
Этот 3-канальный драйвер тока имеет следующие характеристики.
Поддерживает режимы привода постоянного тока и постоянного напряжения
Широкий диапазон постоянного тока 5–150 мА на выходе
Напряжение питания 3,3–5,5 В
Поддержка горячей замены
Функция обратной полярности выхода
Максимальная входная тактовая частота 25 МГц
Программируемый постоянный ток управления светодиодом.
Буферы, встроенные в каскадные часы и данные для соседнего драйвера
Схема диммирования PWM, встроенная для каждого выходного канала с поддержкой автономной работы (подходит, особенно для недорогих контроллеров)

Приложения
Подключение микросхемы WS2801 в типовой прикладной схеме

Подсветка ЖК-телевизора
Генератор ШИМ-сигналов
Декоративное светодиодное освещение
Внутренний/наружный светодиодный дисплей для видео/сообщений

Сравнение WS2801 и WS2812
По сравнению со светодиодной лентой WS2812, WS2801 имеет две линии данных (часы и данные) для адресации отдельных светодиодов. WS2812 имеет один контакт данных; поэтому требуется больше вычислений, прежде чем обращаться к отдельным светодиодам.
Лента WS2812
Источник: Pixabay
Как подключить светодиодную ленту Raspberry Pi WS2801 RGB и управлять ею?
Перечень деталей
Светодиодная лента WS2801 с 32 адресуемыми светодиодными лентами RGB на метр
Raspberry Pi
Адаптер питания и соединительный разъем (для начинающих)
Импульсный источник питания и кабель питания (для экспертов)
Импульсный блок питания Драйвер светодиодов в металлическом корпусе.

Соединительные кабели
Макет
Каждый светодиод потребляет около 60 мА. Следовательно, 32 светодиода на полосе длиной один метр будут потреблять примерно 2А. Выводы Raspberry Pi GPIO не могут обеспечить такое питание, поэтому вам нужен внешний источник питания. Чем длиннее полоса WS2801, тем больше тока она будет потреблять, поэтому подключение внешнего питания должно соответствовать текущему спросу.
Подключение питания
Для импульсного источника питания требуется проводка высокого напряжения, что сопряжено с риском. Работать с 230 В еще опаснее, чем со 110 В, поэтому отключите все, прежде чем отрезать провода от вилки.
Кроме того, убедитесь, что вы знаете цветовую маркировку трех проводов перед выполнением соединений. Live или L идет к фазе или внешнему проводу в импульсном источнике питания. Кабель имеет черную или коричневую оболочку.
С другой стороны, нейтраль или N — это синий кабель, который должен идти к нейтральному проводнику. Зеленый или желтый провод должен идти к PE или заземляющему проводнику.
Однако некоторые вилки имеют только два кабеля и не включают разъем PE, если таковой используется.
2-контактная вилка с двумя проводами

Выход импульсного источника питания должен быть аналогичен выходному сигналу источника питания типа зарядного устройства (5 В). При этом подключите светодиодную ленту следующим образом:

Обычно светодиодные ленты поставляются с припаянными разъемами для подключения нескольких лент. Кроме того, они оснащены разъемом для макетной платы и двумя дополнительными кабелями для внешнего источника питания.
Будьте осторожны с подключением питания, поскольку неправильное подключение может привести к короткому замыканию или перегреву Raspberry Pi. Кроме того, убедитесь, что внешний источник питания и Raspberry Pi подключены к земле или GND.
Установка библиотеки Raspberry Pi WS2801
Для управления световой полосой необходимо установить библиотеку Python Adafruit Raspberry Pi. Библиотека позволяет управлять светодиодами по отдельности для получения любого цвета RGB.
Однако для этой библиотеки требуется активированная шина SPI, которую вы вызываете с помощью этой команды.
Выберите SPI в расширенном параметре, затем включите его и выйдите из настроек конфигурации. После этого обновите исходники пакетов, а затем установите pip с помощью следующих команд.
Более новые версии Raspbian обычно поставляются с установленными.
Код затемнения яркости
Сначала создайте файл кода с помощью следующей команды.
После этого напишите следующий код и сохраните его в файле.
Код последовательно переключает несколько цветов радуги и одновременно снижает яркость каждого светодиода. Вы можете использовать значения RGB для определения яркости цвета.
В коде вы можете изменить количество пикселей (линия желтого цвета), чтобы включить количество светодиодов в световой полосе. Помните, что на метровой полосе 32 светодиода. Нажмите CTRL+O, чтобы сохранить файл, затем CTRL+X, чтобы закрыть редактор.
Резюме
В заключение, ленточный светильник WS2801 представляет собой простой в управлении 3-канальный драйвер светодиодов постоянного тока, который дает вам полный контроль над всей лентой. Кроме того, он работает по доступной 2-проводной схеме, которая позволяет создавать недорогие проекты декоративных систем. Надеемся, статья поможет вам настроить и контролировать освещение для вашего проекта. Если у вас есть какие-либо вопросы или комментарии, не стесняйтесь обращаться к нам.