Автоматическая ARGB подсветка лестницы адресными смарт лентами.

В этой части мы рассмотрим особенности и способы создания светодиодной подсветки лестниц при помощи адресных цветных светодиодных лент ARGB. Рассмотри плюсы и минусы этого варианта подсветки, принцип работы и тонкости выбора адресных светодиодных лент, подберем оборудование и рассмотрим способы монтажа и подключения.

Что такое адресный светодиод ARGB и как он устроен.

Адресный светодиод представляет собой обычный RGB светодиод, для управления цветами которого используется специальная микросхема, которая управляет его цветами и яркостью каждого цветового канала. Фактически Вы можете управлять цветом и яркостью каждого отдельного светодиода или сегмента из нескольких светодиодов, что зависит от типа используемой микросхемы. Суть управления такими лентами заключается в том, что для каждого канала цвета передается определенный набор битов. Управление основано на последовательной передаче данных — каждый светодиод принимает поток битов, «забирает» первые 24 бита (свои) и пересылает оставшиеся дальше.

Формат данных на один светодиод:

• 24 бита = 8 бит зелёный + 8 бит красный + 8 бит синий

• порядок байт обычно GRB

Используется однопроводной асинхронный протокол с фиксированным таймингом:

• Один бит кодируется шириной импульса.

• Частота передачи ≈ 800 кГц (период ~1.25 мкс на бит).

Как видно из принципа работы этих светодиодных лент, значение имеет количество управляющих чипов (драйверов светодиода WS2811, WS812 или их аналогов). Например если у Вас планируется использовать 300 пикселей, то длина пакета будет составлять 300 * 24 = 7200 бит. Каждая смена кадра подразумевает отправку нового пакета. Поэтому не все микроконтроллеры это могут реализовать для большого числа пикселей, так как могут не обладать достаточной скоростью и объемом памяти. Также, как видим из характеристик протокола передачи данных частота составляет 800 кГц, что предъявляет высокие требования к длине канала передачи и качеству провода. И если каждый чип является усилителем уровня при передачи пакета к следующему чипу, выравнивая уровень сигнала к напряжению питания сегмента, то с передающей линией всё сложнее и для подключения больше 30 см требуется как минимум витая пара, где провод данных свит с проводом "GND", а если длина больше 1 м, то нужно использовать коаксиальный провод, но в любом случае нужно стремиться установить контроллер как можно ближе к точке подключения и минимизировать длину провода. Второй важный параметр вытекает из того, что каждый чип выступает в качестве преобразователя логического уровня, поэтому для него важно качество питания, что делает эти типы лент требовательны к качеству и уровню пульсаций источника питания. Поэтому при некачественном источнике питания Вы получите большое количество испорченных пакетов данных, что на ленте будет проявляться как хаотичное мигание всей ленты или отдельных светодиодов различными неожиданными цветами и яркостью.

   Основным и безусловным достоинством адресной светодиодной подсветки является гибкость цветовых и динамических решений, позволяющая настраивать цвет, динамику, количество светодиодов для каждой ступеньки, если Ваша лестница сложной формы с ступеньками разной длины. Основными минусам является высокая цена светодиодных лент, требовательность к качеству проводки и питания, требования к аккуратному и правильному монтажу, необходимость наличия базовых знаний и навыков в работе. Но если Вы готовы попробовать себя, то результат того стоит.

На сегодняшний день на рынке наиболее широко представлены два типа светодиодных лент ARGB, это ленты:

• построенные на управляющей микросхеме WS2811 и их различные китайские аналоги
• построенные на микросхеме WS2812 и их различные китайские аналоги

WS2811

Светодиодные ленты этого типа как правило имеют напряжение питания 12 или 24 В постоянного тока. Каждый сегмент такой светодиодной ленты имеет одну микросхему WS2811 и три последовательно соединенных RGB светодиода SMD5050, конденсатор и 3 балластных резистора для каждого цвета. Или для лент 24В это 6 светодиодов соединенных последовательно в каждом сегменте соответственно. Как видно из схемы, один чип WS2811 управляет всеми светодиода сегмента одновременно. Поэтому сегмент можно считать одним цветовым пикселем или точкой. Также работают набирающие популярность сейчас и COB светодиодные ленты, где на 1 чип может приходиться десятки мелких светодиодов, создающих монолитную световую заливку. Как правило COB ленты построены именно на базе чипов WS2811

Как правило такие светодиодные ленты имеют мощность:

• DC 12V, WS2811, 30 LED/M, - 7.2Вт/м (0,6 А/м)
• DC 12V, WS2811, 60 LED/M, - 14.4Вт/м (1,2 А/м)
• DC 12V, WS2811, 48 LED/M, - 11.5Вт/м (1 А/м)
• DC 24V, WS2811, 30 LED/M, - 7.2Вт/м (0,3 А/м)
• DC 24V, WS2811, 60 LED/M, - 14.4Вт/м (0,6 А/м)
• DC 24V, WS2811, 48 LED/M, - 11.5Вт/м (0,5 А/м)

WS2812

Этот тип светодиодных лент построен на базе микрочипа WS2812, который встраивается прямо в корпус RGB светодиода SMD5050.

Один сегмент или пиксель такой светодиодной ленты имеет один светодиод и каждый отдельный светодиод может управляться индивидуально. На основе таких светодиодов построены уличные рекламные мониторы, они позволяют создавать потрясающие эффекты и анимацию. Но так как светодиод по прежнему может питаться только от напряжения 5В, то и влекут за собой особые ограничения по силе тока и выбору площади сечения проводов, как описано в первой и второй частях.

Выбор ленты и расчет площади сечения проводов.

Характеристики RGB WS281x LED 

Как видно из таблицы, 1 светодиод WS2812 потребляет ток 60 мА в режиме максимальной яркости белого цвета. Напряжение питания светодиода WS2812 всегда 5В ( требует строго 5 В ± ~0.2 В ).

Тогда не сложно рассчитать силу тока для светодиодной ленты:

• 60 LED/m: до 3.6 А/м (максимум).

• 30 LED/m: до 1.8 А/м.

• 144 LED/m: до 8.6 А/м (!).

Обращайте особое внимание на это. Так как например если у Вас например 17 ступенек по 1 метру каждая, Вам понадобится 17 метров ленты. И общая сила тока для 17 метров составит:

• 60 LED/m: до 3.6 А/м (максимум). - 61.2А (Блок питания без учета запаса мощности DC5V, 350W)

• 30 LED/m: до 1.8 А/м. - 30.6А  (Блок питания без учета запаса мощности DC5V, 153W)

• 144 LED/m: до 8.6 А/м (!). -  146.2А (Блок питания без учета запаса мощности DC5V, 731W)

И основная проблема тут заключается в площади сечения проводов. Воспользуйтесь калькулятором ниже, что бы рассчитать площадь поперечного сечения проводов.

Калькулятор площади сечения медного провода

 Как видите, с учетом того, что Вам придется прокладывать шину питания паралельно всем ступеньками, то длина провода вероятно будет не менее 10м.
Тогда для лент WS2812 разной плотности в рассматриваемом примере для 17 метров ленты Вам понадобятся провода с сечением:

• 60 LED/m: до 3.6 А/м (максимум). - 61.2А (Блок питания без учета запаса мощности DC5V, 350W), провод сечением не менее: 87 мм²

• 30 LED/m: до 1.8 А/м. - 30.6А  (Блок питания без учета запаса мощности DC5V, 153W), провод сечением не менее: 44 мм²

• 144 LED/m: до 8.6 А/м (!). -  146.2А (Блок питания без учета запаса мощности DC5V, 731W), провод сечением не менее: 205 мм²

Что в принципе является не выполнимой задачей. Поэтому очевидно, что светодиодные ленты WS2812 не подходят для подсветки ступеней лестницы, если речь идет о подсветке каждой ступеньки по её длине и требуется большое количество ленты с длинными проводами.  Но с другой стороны этот тип ленты может подойти для освещения лестниц при установке ленты паралельно ей в паз на стене или вдоль  перил. Этот способ подсветки лестниц мы отдельно рассмотрим в 4-й части.

Для сравнения если использовать светодиодную ленту WS2811, для того же проекта с 17-ю ступеньками по 1 метру каждая, и длиной провода 10м, Вам понадобятся провода:

• DC 12V, WS2811, 30 LED/M, 7.2Вт/м (0,6 А/м) - 10,2 А , 122,4 Вт, провод 6 мм²
• DC 12V, WS2811, 60 LED/M, 14.4Вт/м (1,2 А/м) - 20,4 А , 245 Вт, провод 12 мм²
• DC 12V, WS2811, 48 LED/M, 11.5Вт/м (1 А/м) - 17А,  204 Вт, провод 10 мм²
• DC 24V, WS2811, 30 LED/M, 7.2Вт/м (0,3 А/м) - 5,1 А , 122,4 Вт, провод 1,5 мм²
• DC 24V, WS2811, 60 LED/M, 14.4Вт/м (0,6 А/м) - 10,2 А , 245 Вт, провод 3 мм²
• DC 24V, WS2811, 48 LED/M, 11.5Вт/м (0,5 А/м) - 8.5А,  204 Вт, провод 2.5 мм²

Разумеется все расчеты произведены для максимально возможного тока потребления в режиме статического белого цвета на максимальной яркости. На практике скорее всего Вы будете использовать цветовые вариации с использованием динамических режимов и меньшей яркостью, но выбор проводки для шины питания очень важен не только для качественной работы проекта, но и для Вашу безопасности, так как провода с недостаточным калибром могут сильно греться, что может вызвать оплавление изоляции, замыкание и пожар. Также это приведет к значительному падению напряжения в конце провода, в результате чего цвет светодиодов в конце ленты будет отличаться от цвета в начале или вся лента не будет работать. Отнеситесь к выбору провода ответственно.

В качестве дата кабеля используйте коаксиальный кабель, центральную жилу подключите с одной стороны к выходу информационного канала контроллера, а с другой стороны к контакту светодиодной ленты DIN. Не забывайте, что адресные светодиодные ленты имеют направление, на каждом сегменте есть вход, обозначаемый обычно Din(DI) и выход обозначаемый DOut (DO). Выход предыдущей лены всегда соединяется с входом последующей.

Выбор источника питания, места установки и типа сенсоров.

Расчет источника питания, как описывалось в предыдущих частях осуществляется по общей мощности всей длины светодиодной ленты плюс запас мощности не менее 20%, после чего выбирается источник питания соответствующего ленте напряжения с расчетной мощностью из ближайшего доступного номинала в ассортименте. Выбор места установки сенсора и его типа также подробно описывался ранее и не отличается для лестниц с использование адресной светодиодной ленты.

Выбор контроллера для управления адресной светодиодной лентой установленной на лестнице.

Наше предприятие разработало и предлагает Вашему вниманию компактный контроллер для подсветки лестницы адресной светодиодной лентой. Это контроллер SmartStairway SS-281x Wi-Fi. Контроллер имеет встроенный модуль Wi-Fi,  он может создавать собственную точку доступа для подключения к его встроенному WEB-серверу для настроек. или он может автоматически подключаться к домашней сети автоматически используя статический адрес или DHCP. С помощью подключения к WEB-серверу контроллера Вы сможете задать требуемое количество ступенек, количество пикселей для каждой из ступенек, эффект включения, цвет, яркость скорость. Также эффект ждущего режима (когда на лестнице нет людей), цвет, яркость динамику. Контроллер позволяет использовать адаптивный режим яркости, когда в зависимости от яркости в помещении будет снижаться яркость светодиодов, что бы не вызвать ослепление, Вы сами задаете максимальный и минимальный пороги адаптивной яркости по собственному вкусу, подробнее читайте на странице товара и смотрите в видео ниже.

Установка  светодиодной ленты на лестнице.

Перед установкой светодиодных лент необходимо подготовить места установки ленты. Если Вы устанавливаете ленты под ступенькой в паз, то очень удобно использовать алюминиевые профили с матовым молочно белым рассеивателем. Перед вклеиванием светодиодных лент в профиль, поверхность профиля следует обезжирить и желательно окрасить или проклеять изоляционным материалом, так как светодиодные ленты с обратной стороны имеют точки спайки и тонкий слой двустороннего слоя, который легко повреждается при вклеивании ленты в профиль или при нагреве в процессе эксплуатации, что может вызвать замыкание светодиодных лент на металлическую поверхность профиля и вызвать тем самым повреждение оборудования и самих светодиодных лент. Отнеситесь внимательно к этому моменту. На концы светодиодных лент со стороны подпайки проводов и с противоположной стороны обязательно изолируйте при помощи термо-усадочной трубки. Это необходимо для того, что бы исключить замыкание на металлическую поверхность алюминиевого профиля мест пайки и разреза светодиодной ленты. Точки пайки обязательно перед изоляцией тщательно отмывайте от флюса (даже канифольного), так как любой флюс (кроме некоторых безотмывочных) со временем насыщаются атмосферной влагой, корродируют и вызывают замыкания и разрушение припоя. 

Порядок установки светодиодных лент в металлический профиль для светодиодных лент.

1. Припаяйте провода к светодиодной ленте. 2. Отмойте флюс при помощи спирта или отмывочной жидкости. 3. Изолируйте концы светодиодной ленты при помощи термо-усадочной трубки. 4. Обезжирьте внутреннюю поверхность алюминиевого профиля и проклейте изоляционной лентой. 5. Вклейте светодиодную ленту в профиль.

Далее следует проложить шину питания от первой до последней ступеньки, так как сила тока при таком варианте подсветки лестницы может быть весьма велика, придерживайтесь расчетных значений площади сечения проводов согласно нашим расчетам выше. Подключите светодиодные ленты каждой ступеньки к шинам питания соблюдая полярность. Затем проложите информационный канал для светодиодных лент, старайтесь обеспечить минимальную длину этих проводов, не прокладывайте их рядом с проводами питания, используйте коаксиальный провод. Не забывайте, что адресные светодиодные ленты имеют направление, т.е. вход DI и выход DO. Будьте особенно внимательны, не допускайте замыкания в точках подключения с проводами питания, так как это вызовет повреждение всей светодиодной ленты, потому, что адресные светодиоды  очень требовательны к напряжению питания и включение 5В светодиодов в линию 12 или 24В обязательно уничтожит их все и может повредить контроллер. Схема установки оборудования на лестницу показана на схеме ниже.

Настройка и ввод в эксплуатацию.

После того, как всё оборудование смонтировано настоятельно рекомендуем при помощи мультиметра прозвонить все точки пайки и подключения, убедиться, что нет замыканий и обрывов и всё подключено верно. Если будут выявлены ошибки - устраните их. После этого можно включать питание системы и переходить к настройке. При первом включении контроллер после включения перейдет в режим работы в качестве точки доступа. Вы можете подключиться к нему через Wi-Fi Вы можете подключиться к ней при помощи Вашего смартфона или ПК. Как правило контроллер будет иметь IP адрес 192.168.1.4 или web-адрес www.smartstairway.com, переход на веб адрес возможен, только если Ваш смартфон или ПК не подключены к другим сетям и не имеют доступа к интернет. На WEB- странице настроек контроллера Вам необходимо выбрать используемый Вами тип светодиодной ленты, указать какой тип сенсоров Вы используете, если используются ультразвуковые сенсоры - указать дистанцию срабатывания. Указать количество ступенек и количество пикселей для каждой из них. Сохранить настройки и перезапустить контроллер путем выключения и включения питания. Остальные настройки можно выполнить позже, так как для проверки и запуска системы этих настроек уже достаточно. Подробно подключение, настройка и многое другое детально описано на странице товара и в руководстве пользователя, доступного для скачивания на странице товара. Если в процессе настройки Вы задали подключение к локальной сети или роутеру, то после включения питания контроллер будет автоматически пытаться подключиться к роутеру, если при этом подключение не удастся, он после нескольких попыток перейдет в режим точки доступа. Это важно понимать для того, что бы в случае если Вы решили задать IP адреса своей сети вручную, вместо использования DHCP, то может произойти ситуация, когда контроллер успешно подключается к роутеру, проходит проверку пароля, но Вы не сможете подключиться к контроллеру из за неверно указанного IP или маски сети. В этом случае Вам нужно просто отключить роутер, что бы контроллер не мог подключиться к нему. Включить контроллер и дождаться, пока он не перейдет в режим точки доступа, после чего подключиться к нему со своего смартфона или ПК и исправить допущенную Вами ошибку.