Цифровое управление светодиодной подсветкой и освещением

Светодиодные ленты сегодня очень популярны для оформления витрин, различной продукции или интерьера. Разноцветные бегущие огни создадут ощущение праздника, акцентируют внимание, выделят именно вашу продукцию.

Можно ли сделать такую подсветку своими руками и что для этого необходимо? Сегодня мы подробно поговорим о видах светодиодных источников света, особенностей их монтажа и цифрового подключения.

Всего можно выделить три типа светодиодов с цифровым управлением:

• «Гибкий неон» в виде прозрачных труб, в которые заключены светодиоды;
• Пиксельные ленты (обычный «Бегущий огонь»);
• Специальные флеш-модули.

Системы пиксельного типа

В основе подобных систем пиксельного типа находятся RGB светодиоды с кристаллами таких цветов: Blue, Green, Red (соответственно синий, зеленый, красный). Отличием таких систем является возможность использования управляющих встроенных микросхем. При помощи подобных микросхем можно управлять отдельными диодами или группой. Ленты с таким управлением называются пиксельными, каждый управляемый элемент – пикселем. Система освещения, созданная с использованием подобных лент также называется пиксельной.

Количество светодиодов в одном пикселе зависит от значения напряжения питания. Например, для 5-ти вольтовых лент реализуется схема управления «один диод – один пиксель». Управляющая микросхема располагается в корпусе отдельного светодиода. Для 12-ти вольтовых лент в одном пикселе находятся уже три RGB-диода, для 24-х вольтовых лент – шесть RGB-диодов. В продаже можно найти ленты на 12 В, RGB-светодиоды которых управляются отдельно.

Контроллер – управление пиксельными схемами

Для управления системами пиксельного типа используются специальные контроллеры, которые можно разделить на три большие группы:

1. Контроллеры с предустановленными программами. Набор для световых эффектов может быть различным, но пользователь его изменить не может. Доступен выбор необходимого эффекта, установка его скорости. Контроллеры этого типа являются самыми простыми, но наличие до 300 программ в памяти все равно делает их очень популярными и эффективными.
2. Контроллеры, программы для которых можно создавать самостоятельно (необходимы специальное ПО для компьютера). Эффекты записываются на SD-карту, устанавливаемую в контроллер.
3. Контроллеры с управлением онлайн при помощи компьютера. На ПК устанавливается специальное ПО, для подключения используются порт USB, локальная сеть.

При составлении программы очень важно, чтобы воспроизводимый цвет светодиода соответствовал цвету при настройке. Большинство контроллеров облегчают эту задачу, предлагая возможность указывать последовательность каналов, к примеру, BGR, RBG, RGB и другие варианты. Одновременно с этим можно задавать расположение отдельных пикселей, их количество.

Микроконтроллер – это миниатюрная микросхема, которая встроена в флеш-модуль или ленту. Такое устройство принимает сигнал от общего контроллера, затем преобразовывает его для визуального изменения цвета диода, яркости или уровня свечения. Микроконтроллеры еще называют драйверами или чипами, эти названия более распространены.

Внимание: не всегда популярные модели драйверов и контроллеров совместимы, однако большая часть из контроллеров имеет возможность взаимодействовать с некоторыми типами драйверов. О совместимости обязательно указывается в техпаспортах устройств. Для драйвера его тип указывается в предоставляемых производителем параметрах на поверхности ленты.

Драйверы можно разделить о принципу работы на следующие группы:

• DMX, использующие для управления цифровой протокол DMX, то есть цифровое мультиплексирование;
• SPI, которые для работы используются цифровой интерфейс вида SPI, то есть последовательный интерфейс периферийный (такие типы устройств применяются чаще остальных).

Драйвера протокола DMX

Особенностью DMX является возможность подключения параллельного типа к управляющей шине каждого отдельного драйвера (рис. 1). Если при такой схеме выйдет из строя какой-либо чип, последовательность цепочки не будет нарушена, то есть система сохранить работоспособность. Но тут кроется и один большой минус – каждый драйвер должен иметь конкретный адрес, чтобы при передаче информации не было нарушений, то есть чтобы световой эффект сохранил свои параметры и визуализацию.

 
Рис. 1. Рабочая структура подключения DMX для пиксельного контроллера.

Адреса DMX изначально прописываются во время их производства. Каждой цепочке, ленте, катушке присваивается индивидуальный номер, начиная с единицы. Во время последующего подключения очень важно не забывать записывать такие адреса с использованием специального адресного редактора. Первыми соединяются модули или отрезки светодиодной ленты, после чего выполняется запись адресов с автоматическим их распределением, то есть начиная от первого пикселя, расположенного к контроллеру ближе всего. Это обеспечивает уникальность всех адресов и четкое отображение каждого эффекта.

Для перезаписи адресов следует использовать редакторы, это такие модели, как LN-DMX-ID. Для некоторых контроллеров пиксельного типа применяются предустановленные адресные редакторы, например, это могут быть DMX K-8000D, DMX K-1000D. Во время записи адресов надо использовать провод типа ADI, ADR, ADIN, но для воспроизведения он уже не нужен.

Если у используемого контроллера нет встроенного адресного редактора, порта для провода ADI, тогда соединение можно осуществлять при помощи провода GND, что позволит избежать влияния наводок и внешних помех при настройке.

Контроллер типа SPI

Протокол SPI обладает такой особенностью, как возможность последовательной передачи по всей длине, то есть данные передаются от одного пикселя к другому. Необходимости в присвоении отдельных индивидуальных адресов нет, так как адрес зависит от расположения пикселя в цепи.

Контроллер самостоятельно создает последовательность, после чего отправляет данные на первый пиксель, остальная информация распределяется дальше. Схема сохраняется: каждый последующий пиксель часть передаваемой информации принимает, а остаток отправляет дальше.

Для передачи данных в системе используются сигнальные провода строго определенных типов (CLK и DATA) или только один сигнал DATA, что зависит от используемого при подключении драйвера. В первом случае монтаж будет более сложным, но зато работа обладает необходимой стабильностью с высокой скоростью обмена данными. Это гарантирует минимальную задержку при обновлении информации, а это является одним из важнейших факторов для создания мультимедийных, очень больших экранов. В нижеследующей таблице приведены основные параметры драйверов SPI, устанавливаемых в продукции Arlight (список микросхем периодически пополняется).

На схеме отображена структура подключения SPI-ленты для обычного пиксельного контроллера (рис. 2) и при использовании одиночного сигнального провода типа DATA (рис. 3).

 
Рис. 2. Структура подключения SPI-ленты для пиксельного контроллера. 

 
Рис. 3. Структура подключения DATA. 

В заключение следует показать особенности и преимущества управляющих протоколов двух типов.

Преимущества протокола SPI:

• адресный редактор не используется, то есть адреса при подключении не записываются;
• пиксели можно менять местами, при этом изменений в визуализации эффекта не происходит (контроллер сам присваивает адреса);
• можно выполнять соединения отдельных модулей или лент с числом пикселей от 1024, необходима только покупка специального контроллера и очень четкий, продуманный монтаж.

Преимущества протокола DMX:

• можно совмещать с оборудованием, работающим под протоколом DMX512, например, системами MADRIX, пультами DMX;
• если из строя выйдет один из пикселей, работа цепи не нарушается, визуализация эффекта остается на прежнем уровне.

При использовании совмещения с системами DMX512 на каждую шину можно подключать до 170 отельных пикселей или по три адреса (суммарно – не больше 510 адресов). Если используются специальные пиксельные контроллеры DMX, то на один порт можно подключать до 1024 пикселей. К примеру, схема «Бегущий огонь», столь популярная сегодня, будет иметь следующий вид (рис. 4).

Рис. 4. Схема подключения для ленты "Бегущий огонь"

На основе всего сказанного можно представить рекомендации, при помощи которых достаточно легко самостоятельно составить проект и выполнить монтаж управляемых систем светодиодного типа. Такие рекомендации отлично подходят для всех типов систем, при этом тип управляющего протокола значения не имеет.

1. При передаче данных необходимо следить за направлением, которое обозначается стрелками на (оно показывает направление к ленте от управляющего контроллера). Внимание надо обращать и на маркировку всех контактов входа (DIN/DI – подсоединять надо к выходу для управления), для выхода к световым пикселям – DOUT/DO.
2. Для питания нельзя применять прямое подключение питания с выходным напряжением блока, превышающим номинальное. Если нарушить это условие, оборудование просто начнет выходить из строя.
3. К порче ведет и подача напряжения на вход, нарушения полярности во время подсоединения питающего блока.
4. Нельзя подавать питание от ленты к ленте! Все используемые системы (трубки, ленты) должны иметь допустимую длину. Подключение будет последовательным, а провода GND и DATA надо соединять только от выхода одного отрезка к входу другого, для каждой ленты питание подается только отдельно.
5. Есть вариант, при котором один мощный источник питания будет подаваться сразу на несколько лент, но от блока питания в этом случае надо вести отдельный провод для каждой ленты. Этот метод не самый лучший, так как в проводах возможно падение напряжения, что приводит к неполадкам управления, искажению свечения отдельных пикселей.
6. Для управляющей схемы надо рассчитывать сечение проводов на основе их длины и общей мощности ленты. Но одним из наиболее рациональных вариантов является использование отдельных блоков с небольшой мощностью, каждый из которых будет размещаться около «своей» ленты. Такой метод позволит легко решить проблему падения напряжения в питающих проводах.
7. Во время монтажа пятивольтовых лент с плотностью высокого уровня необходимо обеспечить питание с двух концов, в противном случае на дорожках будет наблюдаться падение напряжения, цвет в разных концах начнет сильно отличаться, вплоть до появления погасших пикселей. Нехватка напряжения также приводит к проблемам управления, что особенно заметно при белом свете, когда подаваемый ток максимальный. Решить проблему можно при помощи некоторых специальных моделей контроллеров. Работая при включении в автоматическом режиме, они снижают яркость в пятивольтовых системах до приемлемого уровня.
8. При организации питания для ленты и контроллеров можно не применять блоки питания с одинаковым напряжением, так как напряжение на CLK и DATA от этого не зависит. Оно может быть только на 0 В и 5В (для TTL). Это говорит о том, что можно одновременно использовать ленты на 12 В и 5 В без потерь качества свечения. Надо только следить, чтобы оборудование и используемый блок питания сочетались. Если уровень напряжения для ленты и контроллера совпадают, допускается использование одного блока питания.
9. Для передачи данных между контроллером и лентой (или другим источником света) надо использовать только защищенные кабеля (экранированные) или специальные для компьютерных систем, то есть витую пару UTP. Длина кабелей составляет до 10 м, но если требуется организация управления с большого расстояния (но не больше 200 м), то надо применять конверторы сигнала (от TTL в RS485) от контроллера, то есть RS485, к ленте TTL. Если данные передаются при помощи кабеля, можно применять конвертор TH2010-485.
10. В том случае, если количество пикселей больше 1024 пикселей, необходимо использовать контроллеры, имеющие различные порты для выхода, но пиксели между портами распределяются равномерно.

Используя подробное руководство, можно своими руками создавать самые разнообразные эффекты, начиная от простых дорожек «Бегущих огней» и заканчивая огромными мультимедийными системами и экранами.

• Telegram
• VKontakte