ЦИФРОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ СВЕТОДИОДНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ СВЕТА

Цифровое управление светодиодными источниками света

Подробно поговорим об особой группе светодиодных источников света, которые способны украсить любой праздник, сделать ярче самую крутую вечеринку или же привлечь внимание именно к вашей продукции, витрине или вывеске. Речь пойдет о трех типах источников света с цифровым управлением:
  • Пиксельные светодиодные ленты «Бегущий огонь»
  • Управляемый «Гибкий неон»
  • Светодиодные флеш-модули.
Все они устроены на базе RGB светодиодов, каждый из которых состоит из кристаллов красного (Red), зелёного (Green) и синего (Blue) свечения. Особенностью же этого класса светодиодного оборудования является наличие микросхем управления, которые монтируются на саму ленту или внутрь светодиодных модулей. Эти микросхемы делают возможным управление каждым отдельным светодиодом или группой из нескольких светодиодов. Один управляемый элемент называется «пиксель», а само освещение «пиксельным».
В зависимости от необходимого напряжения питания, варьируется и количество светодиодов в пикселе. Так в 5-вольтовых лентах и модулях управление происходит каждым светодиодом в отдельности, т.е. один пиксель состоит из одного светодиода. В таком случае микросхема может быть расположена в корпус самого светодиода. Если напряжение питания источников освещения составляет 12 В, то обычно один пиксель содержит 3 RGB светодиода, а для 24 В – 6 светодиодов. Встречаются также ленты с питанием 12 В и управлением каждым светодиодом отдельно.
Общее управление выполняется контроллером, созданным специально для цифрового управления пиксельным освещением. Их можно подразделить на три группы:
  1. Контроллеры, световые эффекты которых были запрограммированы при их изготовлении. Число и набор программ в них постоянны и не изменяемы. Пользователь может лишь выбирать интересующую программу и настраивать скорость эффекта. Но, несмотря на это, подобные контроллеры всё равно могут продемонстрировать всю красоту динамической светодиодной подсветки, ведь некоторые из них, в зависимости от модели, могут содержать в своей памяти до 300 различных программ.

  2. Контроллеры, программы которых были созданы пользователем на своем компьютере с помощью специальных программ и впоследствии записаны на SD-карту, которая устанавливается в контроллер.

  3. Контроллеры, работающие онлайн. Управление ими происходит в режиме реального времени с персонального компьютера. Программы также составляются при помощи специализированного ПО, а подключение происходит через USB порт или при помощи сетевой карты компьютера через локальную сеть.

Важно обеспечить соответствие цвета в программе, воспроизводимому цвету, поэтому при настройке большинства контроллеров есть возможность указать необходимую последовательность каналов на светодиодной ленте, например, RGB, RBG, BGR и др. Для правильного воспроизведения эффектов также задается количество и расположение пикселей.
Микросхема, вмонтированная в светодиодную ленту или флеш-модуль, представляет собой особый микроконтроллер, принимающий цифровой сигнал, сформированный управляющим контроллером, и преобразующий его в визуальное изменение свечения, яркости или цвета светодиода. Такие микроконтроллеры часто называют «чип» или «драйвер». Последнее понятие мы и будем использовать дальше в статье.
Не все контроллеры и драйверы совместимы между собой, но большинство контроллеров могут работать с несколькими моделями драйверов. О том, с какими типами драйверов совместим тот или иной контроллер, указывается в подробных технических характеристиках или в его программном обеспечении, если оно используется. Вид драйвера также указывается в параметрах светодиодных лента, флеш-модулей и  «гибкого неона». Всё это нужно, чтобы правильно выбрать и настроить совместную работу контроллера и управляемых устройств. С течением времени списки совместимости контроллеров и драйверов расширяются, т.к. технический прогресс не стоит на месте.
Сами драйверы по принципу работы также подразделяются на два кардинально разных типа:
  1. SPI-драйверы – в их работе применяется цифровой интерфейс SPI, от английского «Serial Peripheral Interface» — последовательный периферийный интерфейс. Эта группа более обширная, такие драйверы используются чаще.

  2. DMX-драйверы – соответственно используют цифровой протокол управления DMX, от английского Digital Multiplex – цифровое мультиплексирование.
Каждый из типов драйверов имеет свои достоинства, о них мы и поговорим более подробно далее.
Цифровой интерфейс SPI
Основная особенность применения этого протокола заключается в последовательной передачи информации от пикселя к пикселю по всей длине подключенной цепочки. При этом нет необходимости присваивать адрес каждому пикселю, поскольку его адрес определяется расположением пикселя в цепи. Контроллер формирует определённую цифровую последовательность управления и отправляет её на первый пиксель. Его драйвер, принимает первые данные, а остальную цифровую последовательность передаёт далее, на следующий пиксель. Второй драйвер действует по тому же принципу: первую часть полученной информации «забирает» себе, а остальное передаёт далее.
Передача информации, в зависимости от типа драйвера, может осуществляться по двум сигнальным проводам (DATA и CLK) или с использованием только одного сигнала (DATA). Первый вариант требует более сложного монтажа, но обеспечивает более устойчивую работу на высоких скоростях обмена, что гарантирует меньшую задержку распространения информации и, соответственно, более высокую частоту обновления информации, что важно, например, при создании мультимедийных экранов. В нашей таблице указаны основные параметры SPI-драйверов, используемых Arlight (список микросхем пополняется с появлением новых устройств). 

Тип драйвера ТМ1804 ТМ1812 WS2801 WS2811 WS2812 LPD6803 UCS1903 TLS3001
Использование в оборудовании Arlight Ленты/ модули Ленты Модули Ленты/ модули Ленты/ модули Модули Модули Модули
Напряжение питания лент и модулей Arlight 12/24В 12В 5/12В 5/12/24В 5/12/24В 5/12В
Количество RGB светодиодов в пикселе для лент Arlight 1 или 3 шт. 1, 2 или 3 шт - 3 шт. 1 шт. - - -
Сигналы управления DATA DATA DATA, CLK DATA DATA DATA, CLK DATA DATA
Исполнение микросхемы В отдельном корпусе В отдельном корпусе В отдельном корпусе В отдельном корпусе Встроена в светодиод В отдельном корпусе В отдельном корпусе В отдельном корпусе
Количество обслуживаемых драйвером пикселей 1 (3 канала) 4 (12 каналов) 1 (3 канала) 1 (3 канала) 1 (3 канала) 1 (3 канала) 1 (3 канала) 1 (3 канала)
Количество цветов 16 млн 16 млн 16 млн 16 млн 16 млн 32768 16 млн 4096
С помощью приведённых структурных схем Вы сможете самостоятельно подключить SPI-ленты к пиксельному контроллеру.
Spi1.jpg 
Рис. 1. Структурная схема подключения SPI-ленты к пиксельному контроллеру с передачей сигнала по двум сигнальным проводам (DATA и CLK) 

spi2.jpg 
Рис. 2. Структурная схема подключения SPI-ленты к пиксельному контроллеру с передачей сигнала по одному сигнальному проводу (DATA

Цифровой протокол DMX
В отличие от протокола SPI, особенностью цифрового протокола DMX является параллельная подключение всех драйверов к шине управления. Это отлично видно на структурной схеме. (Рис. 3) 
Преимущество этой системы состоит в том, что, если из строя выйдет один драйвер, это не нарушит работу всей последующей цепочки. С другой стороны, необходимо учитывать, что для правильной работы системы, каждый драйвер должен иметь свой индивидуальный и вполне определенный адрес, чтобы информация от контроллера попала по назначению. В случае, если в такой системе драйверы поменять местами, световой эффект будет нарушен.
dmx1.jpg 
Рис. 3. Структурная схема подключения DMX светодиодной ленты к пиксельному контроллеру (сигнал ADR используется только при записи адресов DMX каналов) 

Компания Arlight в своём оборудовании используют современные DMX драйверы типа WS2821. Обратим ваше внимание на то, что они применяют протокол DMX, но не используют полноценный симметричный интерфейс, используемый в стандартных устройствах DMX. Для передачи информации используется сигнал DATA+ и не используется DATA-.
Первоначально DMX адреса светодиодных лент, «гибкого неона» и флеш-модулей прописываются при их производстве. Каждая катушка ленты или «гибкого неона» или цепочка модулей номеруется по порядку, начиная с первого. Подключая последовательно более одной катушки ленты или группы модулей необходимо производить запись адресов самостоятельно, при помощи редактора адресов. Сначала соединяются все отрезки ленты или модули, а затем прописываются адреса. Запись происходит с автоматическим распределением адресов, последовательно, начиная от ближайшего к контроллеру пикселя. Таким образом, гарантируется уникальность адресов и правильное отображение эффектов.
Для того, чтобы производить перезапись DMX адресов необходимы специальные редакторы, например RA-DMX-ID-WS2821. Некоторые модели пиксельных контроллеров имеют встроенные редакторы адресов, например, DMX K-1000D или DMX K-8000D. В процессе записи адресов используется провод с маркировкой ADR (ADI, ADIN), который впоследствии, для воспроизведения программ уже не применяется. Если в выбранном контроллере нет встроенного редактора или выхода для подключения провода ADI, то он должен быть соединён с общим проводом GND, что предотвратит влияние на него внешних помех и наводок.
В итоге хотелось бы вкратце осветить положительные стороны обоих протоколов SPI и DMX.
Преимущества оборудования использующего интерфейс SPI:
  1. Не нужно записывать адреса, а значит, и покупать редактор адресов.

  2. Можно спокойно менять местами пиксели (отрезки ленты или модули), это не повлечёт за собой изменения в рисунке эффекта.

  3. При необходимости возможно соединение более 1024 пикселей. Для этого нужен контроллер, поддерживающий такое количество пикселей, и максимально аккуратный и продуманный монтаж цепей управления.
Преимущества использования протокола DMX:
  1. Возможность совместной работы с оборудованием, использующим стандартный протокол управления DMX512, таким как различные DMX пульты или, например, с устройствами системы MADRIX.

  2. В случае выхода из строя одного из пикселей, работа последующих пикселей цепи продолжается, как и раньше, картинка не нарушается.
При совместной работе со стандартным оборудованием DMX512, на одну DMX шину может быть подключено до 170 пикселей (по 3 адреса на каждый пиксель, суммарно 510 адресов). При использовании специализированных пиксельные DMХ контроллеров для светодиодных лент и флеш-модулей на один порт контроллера обычно может быть подключено до 1024 пикселей.
На нижеприведённой иллюстрации изображена схема подключения нескольких светодиодных лент «Бегущий огонь». 

dmx2.jpg 
В конце нашей статьи обозначим основные рекомендации, которые помогут максимально правильно спроектировать и установить управляемые светодиодные системы. Эти рекомендации подходят ко всем пиксельным светодиодным лентам, управляемому «гибкому неону» и флеш-модулям, независимо от протокола, которым они управляются.
  1. Важно соблюдать направление передачи данных. Оно обозначено стрелками на самой ленте или флеш-модулях и указывает направление от контроллера. Кроме того, на оборудование зачастую нанесена и специальная маркировка: контакты «DI» или «DIN» (вход) подсоединяются к выходу контроллера, «DO» или «DOUT» (выход) – к следующим пикселям.
  2. Запрещено подключать светодиодную ленту к источнику питания с выходным напряжением выше, чем её номинальное напряжение питания. Подобные действия лишь испортят ленту.
  3. К такому же результату приведёт и подача напряжения питания на вход данных или несоблюдение полярности при подключении блока питания.
  4. Запрещено последовательно подавать питание от ленты к ленте. Катушки светодиодной ленты, и «гибкого неона» всегда имеют максимально допустимую длину. При последовательном подключении нескольких катушек, провода DATA и GND присоединяются от выхода одной светодиодной ленты ко входу другой, но питание подаётся отдельно на каждую из них. Возможен и вариант, когда один мощный источник питания используется сразу для нескольких лент. В таком случае, от блока питания ведётся отдельный кабель к каждой светодиодной ленте. Такой способ может стать причиной падения напряжения на проводах, что приводит к искажению цвета свечения и неполадкам в управлении пикселями. Сечения проводов для управляемых светодиодных лент рассчитываются также, как и для обычных, основываясь на мощности ленты и длине провода. Наш калькулятор поможет Вам всё легко рассчитать. Но наиболее рациональным методом подключения может стать использование отдельных блоков питания невысокой мощности для каждой светодиодной ленты, размещённых непосредственно рядом. Это позволит избежать проблем, связанных с падением напряжения на проводах питания.
  5. Подключая светодиодные ленты высокой плотности с напряжением питания 5 В, питайте их с обоих концов. Иначе из-за падения напряжения на дорожках ленты и высоких значений потребляемого тока, её цвет в начале и конце может значительно отличаться. Кроме того, из-за нехватки напряжения на конце ленты, могут возникнуть проблемы с её управлением. Подобные недостатки особенно ярко заметны при включении постоянного белого цвета на всех светодиодах, т.к. тогда потребляемый лентой ток максимален. Определённые модели контроллеров могут частично решить эту проблему, автоматически снижая яркость свечения белого цвета при питании в 5 В.
  6. Нет необходимости питать контроллеры и светодиодные ленты с помощью блоков питания с одинаковым напряжением, ведь напряжение на управляющих линиях DATA и CLK не зависит от модели контроллера и его напряжения питания. Оно может принимать только 2 значения – 0 и 5 В (уровни TTL). Таким образом, возможно одновременное использование пятивольтовой светодиодной ленты и двенадцативольтового контроллера. Важно, чтобы блок питания и подключаемое к нему оборудование соответствовали друг другу. В случае, если напряжение питания контроллера и светодиодной ленты совпадает, можно использовать один общий блок питания.
  7. Передача сигналов управления от контроллера к управляемым источникам освещения должна осуществляться с помощью экранированного кабеля или кабеля для компьютерных сетей UTP (витая пара). Он должен быть не длиннее 10 м. Если нужно управлять системой с большего расстояния (до 200 м), можно использовать конверторы сигнала TTL в RS485 со стороны контроллера RS485 в TTL со стороны ленты. Для передачи и приема сигнала по кабелю можно использовать конвертер TH2010-485.

  8. Если система содержит более 1024 пикселей, нужно применять контроллеры с несколькими выходными портами, распределяя равномерно пиксели между портами.
Применяя на практике это руководство, Вы можете дать волю фантазии и создавать огромное множество эффектов от простых световых дорожек «Бегущий огонь» до огромных мультимедийных экранов с разнообразными изображениями.

Светодиодные светильники с датчиками

Повышать эффективность освещения можно двумя способами: понижать потребление источников света, это замена на светодиодные светильники или ставить датчики движения, звука или освещенности.

Не многие знают, что второй способ иногда может давать противоположный эффект.

Любители интелектуального освещения в слабо используемых помещениях часто начинают жаловаться на то, что после установки датчиков счета, счета за электроэнергию только возрастают и начинают усиленно искать причину в потреблении других электроприборов.

Причина заключается в следующем: датчик в режиме ожидания потребляет некую электроэнергию, а иногда это потребление может буть достаточно существенным. Если в этом помощении кто-то       заходит на пару минут в день и туда установлен датчик, то невольно обрекаете себя круглосуточно платить за режим ожидания, в то время как простая табличка «Уходя гасите свет» съэкономит куда больше средств.

Теперь подробнее о потреблении… В зависимости от качества исполнения датчика его потребление может варьироваться от нескольких единиц до нескольких десятков ватт. Да, потребление датчиков действительно соизмеримо с потреблением лампы.

Как пример, один светодиодный светильник с заявленным потреблением 20 Вт и с датчиком движения. В режиме ожидания он потреблял 10 Вт, а во включенном состоянии 25 Вт. Экономический эффект от его использования остался достаточно спорный.

Использование подобных датчиков выгодно только со светильниками, обладающими высоким потреблением, чтобы потрбление в режиме ожидания было не существенным.

Использование светодиодных светильников малых мощностей, например светодиодных светильников для жкх, со встроенными датчиками не выгодно совсем. Исключение составляют случаи когда один датчик устанавливается для включения сразу нескольких светильников.


Основные параметры светодиодов

 

  • сила света (эффективность)
  • угол излучения,
  • мощность
  • рабочий ток
  • цвет (температура свечения)
  • деградация светодиода
  • Индикаторные светодиоды (ILT) (3; 4,8; 5, 8, 10 мм светодиоды с линзой)
  • СМД (SLT) светодиоды (3528, 5050)
  • Мощные (PLT) светодиоды
  • RGB светодиоды

 Эффективность (светоотдача).

 Отношение светового потока к потребляемой мощности (Лм/Вт). Это та величина, которая в первую очередь попадает во внимание специалистов, потому что именно по эффективности определяется применимость светодиодов для систем освещения. Для сравнения:

лампочка накаливания: 8-12 лм/Вт;  люминесцентные (энергосберегающие) лампы  : 30-40 Лм/Вт

современные светодиоды: 120-140 Лм/Вт

газоразрядные лампы (ДРЛ): 50-60 Лм/Вт

 Показатели очень хорошие, что позволяет успешно конкурировать с люминесцентными, натриевыми, галогеновыми лампами. Более того, светодиоды уже выигрывают по этому показателю у газоразрядных ламп, т.к. весь световой поток у них идет в одну полуплоскость, поэтому не требуются разного рода отражатели.

 Цветовая температура

 Цветовая температура используемых светодиодов: 2500 Кельвинов- 9500 Кельвинов.

-2500-3000 Кельвинов: теплый белый свет. (warm white  или сокращенно WW) Он ближе к лампам накаливания.

-4000-5000 Кельвинов: нейтральный белый свет. (white neutral или сокращенно NW)

-6500-9500 Кельвинов: холодный белый свет. (cold white или сокращенно CW)

 По источникам независимых исследований, именно нейтральный белый свет является наиболее комфортным для офисной работы, и в нем предметы становятся наиболее четкими. Нашей компанией используются светодиоды с нейтральным светом. Кроме того, в осветительных приборах мы используем цветные светодиоды (основные цвета: красный, синий, зеленый, желтый) и светодиоды RGB (полноцветный светодиод).

 Мощность светодиодов.

 — малой мощности:  до 0,5 Вт (20-60 мА)

— средней мощности:0,5-3Вт (100-700 мА)

— большой мощности: более 3-х ватт (1000м А и более)

 Угол свечения

 как правило  120-140 градусов, в индикаторных 15-45 градусов.

 Деградация (ресурс) светодиодов.

 Очень важный показатель. Многие производители декларируют около 100 тысяч часов и даже более. Какие факторы оказывают влияние на ресурс светодиодов? В первую очередь это токовая деградация. Если через диод пропустить силу тока большую, чем та, на которую он рассчитан, то наступает быстрая деградация. Как правило: в пределах первых 1000 часов. Этим пользуются недобросовестные производители.

 Следующий фактор – температурная деградация. Светодиод в процессе работы нагревается. И, если не отводить тепло, то диод быстро потускнеет. Для отвода тепла применяется много конструкторских решений. В наших светильниках применяется плата с алюминиевой подложкой. Подложка в свою очередь имеет механический контакт с корпусом светильника, что дополнительно отводит тепло. Главное: в точке пайки светодиода соблюдать температурный режим не более 65 градусов Цельсия. В наших светильниках это достигается. Соответственно, находясь в рабочем режиме, ресурс диодов в предлагаемых светильниках составляет декларируемые  40-50 тысяч часов.

 Индикаторные светодиоды (ILT)

 Сегодня являются лидерами в повсеместном использовании. Появившись в 60-х годах, они быстро завоевали популярность, вытеснив лампы накаливания, используемых в качестве подсветки и индикации. А использование в данных светодиодах кристаллы с повышенной яркостью позволяют использовать их в мощных светоизлучающих устройствах (фонари, стоп-сигналы, индикаторные огни, светофоры, DIP-ленты  и т.д.). На сегодняшний день практически ни одна бытовая техника не обходится без индикаторного светодиода. Существуют следующие стандартные типоразмеры индикаторных светодиодов: 3; 5; 4,8; 8 и 10мм. Рабочий ток таких светодиодов как правило 20-40мА, световая отдача может доходить для белого света 3-5Лм со светодиода. Угол излучения у данных светодиодов либо узкий (15-45 градусов), либо широкий (110-140 градусов).

 SMD-поверхностный монтаж

 Технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов.

Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMD-технология (от surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют чип-компонентами. Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным ее отличием от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы, однако преимущества технологии поверхностного монтажа печатных плат проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приемов изготовления печатных узлов.

 Наиболее популярные SMD (SLT) светодиоды это светодиод 3528 и 5050.

 Светодиод 3528

 Основные характеристики:

 -Рабочий ток 20-25мА

 -Мощность 0,07Вт

 -Световой поток 3-7Лм

 -напряжение питания 3-3,2В (для белого светодиода)

 -цвета: все оттенки белого, красный, зеленый, синий, желтый

 -норма упаковки – бабина 2000 штук.

 Использование: Светодиодные ленты, лампы, автолампы, панели, светильники.

 Светодиоды 5050

 В светодиоды 5050 используются однотипные кристаллы как и в светодиоде 3528, только в количестве 3-х штук. А использование 3-х кристаллов разных цветов (красного, зеленого и синего) позволяют получить маломощный RGB светодиод.

 Основные характеристики:

 -Рабочий ток 60-75мА

 -Мощность 0,21Вт

 -Световой поток 10-21Лм

 -напряжение питания 3-3,2В (для белого светодиода)

 -цвета: все оттенки белого, красный, зеленый, синий, желтый, RGB

 -норма упаковки – бабина 1000 штук.

 Использование: Светодиодные ленты, лампы, автолампы, модули,  панели, светильники.

 Светодиоды PLT

 Для производства светодиодного оборудования  используются светодиоды средней и большой мощности. Все они маркируются как светодиоды PLT. Сравнительная характеристики используемых светодиодов представлена в таблице:

 

Марка
светодиодов
Страна
Производит.
Потреб. Мощность,
Вт
Рабочий
Ток,мА
Световой поток,
(эффективность)
Лм/Вт
Температура
света, цвет
Epistar Тайвань 1Вт 300-330 120-130 2700-3000К
6500-7000К
SEOUL SEMICONDUCTOR Корея 0,5Вт 130-150 115-120 4000-4500
NICHIA Япония 1Вт 300-330 130-140 4000-4500
CREE США 8Вт 1400 95-100 5500-6000

 RGB-светодиод

 Это просто три близко расположенных светодиода под одной линзой: красный — Red, зелёный — Green и синий — Blue, отсюда и название. Как известно, сочетанием этих трёх цветов можно получить любой другой цвет. Обычно у этих трёх светодиодов объединены плюсовые общим анодом) или минусовые общим катодом) выводы, соответственно, всего у RGB четыре вывода, хотя иногда бывает, что все шесть выводов делают раздельно. То есть, фактически, управление RGB — это управление тремя светодиодами. Яркость свечения светодиода зависит от протекающего через светодиод тока.