Управление RGB светодиодами и лентами

Управление RGB светодиодами и лентами

Я думаю все знают, что свет – это поток фотонов, но в то же время он является электромагнитной волной, излучением. Человеческий глаз воспринимает очень узкий диапазон этого излучения: приблизительно от 390 до 790 ТГц (террагерц), так называемое видимое излучение или видимый свет. “Ориентироваться” в этом диапазоне электромагнитного излучения принято в обратной величине – длине волны, измеряемой в данном случае в нанометрах (нм): человеческий глаз видит излучение в диапазоне от

400 нм (фиолетовый) до

800 нм (красный). Между синим и красным есть ещё один важный цвет – зелёный:

Красный (Red, R), зелёный (Green, G) и синий (Blue, B) являются основными цветами: смешивая эти три цвета в разных пропорциях можно получить плюс-минус все остальные цвета.

Этот наглядный “двухмерный” случай с кругами вы тоже скорее всего видели. Если раскручивать тему дальше, то можно задаться интенсивностью каждого цвета и получить итоговый цвет как функцию от трёх переменных, или же трёхмерное цветовое пространство RGB. Если интенсивности всех трёх цветов равны нулю – получится чёрный цвет, если все три максимальны – белый, а всё что между – оттенки:

На картинке выше интенсивность каждого цвета представлена диапазоном 0-255. Знакомое число, не правда ли? Всё верно, в большинстве применений диапазон каждого цвета кодируется одним байтом, потому что это удобно с точки зрения программирования и достаточно с точки зрения глаза: три цвета – три байта – 256*256*256 == 16.8 миллионов оттенков. Да, именно эта цифра часто фигурирует в рекламах смартфонов и телевизоров, и именно столько оттенков мы можем абсолютно не напрягаясь получить при использовании Arduino и RGB светодиодов, о чём и поговорим в этом уроке.

Преимущества цветных светодиодных лент LED RGB с пультом и контроллером

Разнообразие оттенков цвета, получаемое с помощью RGB светодиодных лент, делает безграничными возможности дизайна. Управляя светодиодной лентой RGB с помощью пульта, любой потребитель может создать уникальный свет в доме или офисе, привлечь внимание к рекламным конструкциям или торговому оборудованию.

Светодиодная лента с пультом — упрощенное название комплекта из LED ленты и контроллера, который, в свою очередь может управляться пультом, с помощью кнопок на самом контроллере, со встроенных в стену панелей, с телефонов, с компьютеров.

RGB светодиодная лента

Введение

Светодиодная RGB лента представляет собой гибкую ленту, с нанесенными на ней проводниками и RGB-светодиодами (полноцветными). В последнее время светодиодные ленты получили широкое распространение в архитектуре, авто и мото тюнинге, костюмах, декорациях и т.п. Также бывают водонепроницаемые ленты, которые можно использовать к примеру в бассейнах.

Светодиодные ленты бывают двух типов: аналоговые и цифровые.
В аналоговых лентах все светодиоды включены в параллель. Следовательно, вы можете задавать цвет всей светодиодной ленты, но не можете установить определенный цвет для конкретного LED. Эти ленты просты в подключении и не дорогие.
Цифровые светодиодные ленты устроены немного сложнее. К каждому светодиоду дополнительно устанавливается микросхема, что делает возможным управлять любым светодиодом. Такие ленты намного дороже обычных.

В данной статье мы рассмотрим работы только с аналоговыми светодиодными лентами.

Аналоговые RGB светодиодные ленты

Техническая спецификация:
— 10.5мм ширина, 3мм толщина, 100мм длина одного сегмента
— водонепроницаемая
— снизу скотч 3М
— макс. потребление тока (12В, белый цвет) — 60мА на сегмент
— цвет свечения (длина волны, нм): 630нм/530нм/475нм

Схема светодиодной RGB ленты

Лента поставляется в рулонах и состоит из секций длиной по 10 см. В каждой секции размещается 3 RGB светодиода, типоразмера 5050. Т.е. в каждой секции получается, что содержится 9 светодиодов: 3 красных, 3 зеленых и 3 синих. Границы секций отмечены и содержат медные площадки. Поэтому, при необходимости, ленту можно обрезать и спокойно припаиваться. Схема светодиодной ленты:

Энергопотребление

В каждой секции ленты, последовательно подключены по 3 светодиода, поэтому питание 5В не подойдет. Питание должно быть 12В, но можно подавать напряжение и 9В, но тогда светодиоды будут гореть не так ярко.

Одна LED-линия сегмента потребляет приблизительно 20мА при питании 12В. Т.о. если зажечь белый цвет (т.е. красный 100%, зеленый 100% и синий 100%), то энергопотребление секции составит около 60мА.

Теперь, можно легко посчитать потребление тока всей ленты. Итак, длина ленты составляет 1 метр. В ленте 10 секций (по 10 см каждая). Потребление ленты при белом цвете составит 60мА*10=600мА или 0.6А. Если использовать ШИМ fade-эффект между цветами, то энергопотребление можно снизить вдвое.

Подключение ленты

Для того, чтобы подключить ленту, необходимо припаять провода к 4 контактным площадкам. Мы использовали белый провод для +12В, а остальные цвета в соответствии с цветами светодиодов.

Срежьте защитную пленку на конце ленты. С какой стороны будет производится подключение — не важно, т.к. лента симметричная.

Зачистите слой изоляции, чтобы оголить контактные площадки.

Припаяйте четыре провода. Лучше использовать многожильный провод (например ПВ3 или кабель ПВС), он более гибкий.

Для защиты от воды и внешних воздействий можно использовать термоусадочную трубку. Если светодиодная лента будет использоваться во влажной среде, то дополнительно, контакты можно промазать силиконом.

Работа с светодиодной лентой

Ленту легко можно использовать с любым микроконтроллером. Для управления светодиодами рекомендуется использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Не подключайте выводы ленты напрямую к выводам МК, т.к. это большая токовая нагрузка и контроллер может сгореть. Лучше использовать транзисторы.

Вы можете использовать NPN-транзисторы или еще лучше N-канальные мосфеты. При подборе транзистора не забудьте, что максимальный коммутируемый ток транзистора нужно брать с запасом.

Подключение светодиодной ленты к контроллеру Arduino

Рассмотрим пример подключения светодиодной ленты к популярному контроллеру Arduino. Для подключения, можно использовать недорогие и популярные мосфеты STP16NF06. Можно также использовать и обычные биполярные транзисторы, к примеру TIP120. Но по сравнению с мосфетом, у него больше потери напряжения, поэтому все же рекомендуется использовать первые.
На схеме ниже показано подключение RGB светодиодной ленты при использовании N-канальных мосфетах. Затвор мосфета подключается к pin1 контроллера, сток к pin2 и исток к pin3.

Ниже, показана схема подключения при использовании обычных биполярных транзисторов (например TIP120). База транзистора подключается к pin1 контроллера, коллектор к pin2 и эмиттер к pin3. Между базой и выводом контроллера необходимо поставить резистор сопротивлением 100-220 Ом.

К контроллеру Arduino подключите источник питания с напряжением 9-12 Вольт, а +12В от светодиодной ленты необходимо подключить к выводу Vin контроллера. Можно использовать 2 раздельных источника питания, только не забудьте соединить «земли» источника и контроллера.

Пример программы

Для управления лентой будет использовать ШИМ-выход контроллера, для этого можно использовать функцию analogWrite() для выводов 3, 5, 6, 9, 10 или 11. При analogWrite(pin, 0) светодиод не будет гореть, при analogWrite(pin, 127) светодиод будет гореть в полнакала, а при analogWrite(pin, 255) светодиод будет гореть с максимальной яркостью. Ниже приведен пример скетча для Arduino:

Читайте также  Деревообрабатывающий станок с чпу

Технические характеристики

  • Тип светодиода: SMD 3028, SMD 3528, SMD 5050, SMD 5730, SMD 5730-1.
  • На основе SMD 3528 на 1 метр может располагаться 30, 60, 72, 120 штук диодов. Количество зависит от модели и производителя.
  • Яркость SMD 3528 – 70 лм/Вт. Яркость SMD 5050 – 80 лм/Вт. Яркость SMD 5730 – 100 лм/Вт. При сравнении SMD 3528 с улучшенными версиями SMD 5730 и SMD 5730-1, то при практически одинаковой площади элемента, излучающего свет, мощность светового увеличилась в 22 раза, но и энергопотребление – в 15 раз.
  • Рабочее напряжение: 12 В, 24 В.
  • Цвета свечения: монохромный и многоцветный. Три основных вида – красный, зелёный, синий. Цвет свечения задаётся с помощью RGB-контроллера. Существуют светодиодные ленты с пультом управления. Они бывают как сенсорные, так и кнопочные.
  • Длина бывает самой разной – от 5 до 40 метров.
  • Оттенки: тёплые (2700 К), холодные (6000 К).
  • Шаг резки. У каждой торговой марки своя ширина модуля МДС (три диода и резистор). Разрезать нужно только по специальным линиям.
  • Рабочая температура от -40 до +40 градусов.

Степени защиты:

  1. IP 68. Полностью покрывается силиконом и помещается в П-образную подложку. Абсолютная стойкость к влаге и воде
  2. IP 67. Силикон покрывает её, тем самым изолируя диоды и дорожки, по которым протекает ток. Очень высокая стойкость к влаге и воде.
  3. IP 65. Сама лента размещена в пустотелой силиконовой прямоугольной оболочке.

Существуют разные характеристики блоков питания:

  1. Блок питания 12 В, 5A, 60 Вт.
  2. Блок питания 12 В, 10A, 120 Вт.
  3. Блок питания 12 В, 20A, 240 Вт.

Мы собрали ТОП-ошибок при сборке RGB светодиодной ленты:

  1. Выбор слабого блока питания, с мощностью «впритык». Дело в том, что потребляемая светодиодами мощность колеблется при работе, то в плюс, то в минус. Запас БП рекомендуем 30% или больше.
  2. Монтаж без теплоотвода. При мощности более 25 ватт/метр светодиоды сильно греются, потому для них нужен теплоотводящий материал. Подойдет в таком случае алюминиевый профиль. Иначе диоды постепенно потеряют мощность, а потом и выйдут из строя.
  3. Неверная последовательность подключения. Напоминаем: блок питания – контроллер – лента – усилитель – лента. Все остальные схемы (без контроллера и/или усилителя) смотрите выше.

Интересное видео по теме:

Адресуемые светодиодные ленты можно применять для декоративной подсветки машины, аквариума, фоторамок и картин, в дизайне помещений, в качестве новогодних украшений и т.д.

Получается интересное решение, если светодиодную ленту использовать в качестве фоновой подсветки Ambilight для монитора компьютера.

Если вы будете использовать микроконтроллеры на базе Arduino, вам понадобится библиотека FastLed для упрощения работы со светодиодной лентой (скачать здесь).

Уроки и статьи, которые вас могут заинтересовать:

Управление Arduino через последовательный порт и PHP Разберемся как управлять светодиодом RGB через последовательный порт, используя PHP и…

Делаем управление светодиодом голосом с помощью Arduino В этом уроке мы покажем, как использовать мобильное приложение для Android…

Как безопасно подключать внешние устройства к микроконтроллеру? Рассматриваем важные драйверы и правильные схемы, необходимые для безопасного подключения внешних…

Как выбрать?

К выбору нужно подойти очень ответственно, ведь параметров у лент не мало. Подберите параметры и покупайте ленту Вашей мечты.

Лента делится на два вида SMD и RGB. Первый вариант — это лента с одним доступным цветом. Такие с белым цветом самые дешёвые, с зелёным, синим и красным дороже, другие еще дороже. Второй же вариант — с возможностью менять цвета, зачастую с помощью пульта. Данная подсветка будет стоить дороже SMD.

Яркость

Зависит яркость от количества светодиодов на 1 м и размеров самих светодиодов.
Размер светодиода можно узнать по маркировке(после аббревиатуры вида ленты).
Пример: RGB 50*50 — цветная лента с диодами 50*50 мм.

Мощность блока питания

Для отличной работы устройства, необходимо купить блок питания. Брать его нужно с мощностью на 20-30% мощности превышающей мощность ленты. Обычно производитель указывает мощность ленты на 1 м (обычно это 12 В).

Контролер для цветных лент

Для RGB придётся докупить (если он не идёт в комплекте) контролер цвета. Мощность его либо равна либо чуть выше блока питания. Данный прибор контролирует насыщенность цвета, может менять цвет и запускать другие программы. Монтируют контролер между блоком питания и лентой.

  1. только меняющие цвет;
  2. с управлением через Wi-fi;
  3. дополнительно создают запрограммированные эффекты;
  4. идут вместе с ИК-пультом, позволяет регулировать подсветку дистанционно.

Класс защиты (IP)

Степень защиты обозначается IP с 2 цифрами. 1 указывает на степень защиты от попадания твердых частиц. 2 — на защиту от влаги.
Рекомендация: для обычного помещённая вполне хватит IP20. Для ванны и помещений с доступностью воды минимально от IP43. Для улицы — минимум IP54.
Подсветка без уровня защиты, светит лучше, чем с защитой. Поэтому, если подсветка будет далеко от воды. Лучше возьмите вариант без защиты, и светлее, и дешевле.

Как подключить RGB ленту от 5 до 10 метров

Теперь рассмотрим более интересный вариант, который встречается не менее часто, особенно, если мы делаем подсветку потолка в квартире или нам необходимо осветить большой периметр какого-нибудь ареала.

Есть два варианта подключения. один более дешевый и второй более дорогой, но «продуктивнее».

Сначала посмотрим на более дешевую схему подключения светодиодной RGB ленты от 5 до 10 метров.

Для этого нам понадобится всего лишь один блок питания и один RGB контролер. Смотрим ниже на схему как подключить RGB ленту метражом от 5 до 10.

В данном случае мы запитываем светодиодную RGB ленту от одного блока питания, не используя усилитель. Для этого нужно применить 4-х жильный провод сечением не более 1.5 мм и длиной не более 5 метров. Такая схема подходит для удлинения маломощных RGB лент. К таким можно отнести LED ленту с 30 светодиодами на метр. По факту такая схема очень неудобная и трудоемкая.

Конечно, никто не запрещает использовать такой способ подключения и на более мощных лентах, но тогда стоит позаботиться о более мощном контролере и блоке питания.

Предупрежу сразу вопрос. почему эта схема не очень хороша. Приведу пример: возьмем две ленты RGB с общей мощностью потребления 144 Вт (72*2). Блок питания для такой мощности будет достаточно громоздкий. Куда его спрятать? Тут может возникнуть проблема.

По поводу контролера тоже все неоднозначно. Контролеры стоит брать с запасом мощности. Если рассматриваем первый пример на 144 Вт 5-10 метров RGB лент, то контролер берите с запасом. Тем более, мы понимаем, что большинство светодиодной продукции завозится из Китая, а там заявленная мощность не всегда соответствует истине. Для первой схемы нужен контролер 144*2=288 Вт. Это естественно в разы увеличивает стоимость конечной продукции, а где Вы сможете найти такой контролер — это уже одному Богу вестимо. Большая редкость.

Читайте также  Как снять ступицу

Теперь рассмотрим более продуктивную схему. Когда используя дополнительные усилители и блоки питания мы можем подключать ленты RGB не только от 5 до 10 метров, но до 20 и более метров. Рассмотрим как это соединение работает.

Для такого подключения необходим один блок питания и несколько усилителей между лентами. Необходимо правильно подключать усилители, т.к. у них есть «вход» и «выход». Конец первой ленты необходимо подключить ко «входу» усилителя, а начало второй к «выходу». «Вход»-Input, «Выход» — Output.

Важно правильно подключать усилители. У них есть «Вход» и «Выход». Поэтому, конец первой ленты подключается ко «входу» усилителя с надписью «Input», а начало второй, подключается к выходу, с надписью «Output».

Подсоединяем провода очень аккуратно, т.к. перепутав соединения мы получим эффект, когда ленты RGB будут не правильно светиться (каждый отрезок по своему). Также от блока питания необходимо проложить дополнительные проводники для подвода питания к усилителям.

Плюсы такого подключения RGB лент

  • Компактнее т.е. габариты блоков в питания меньше.
  • Для такой схемы проще найти контроллер
  • Можно подключать сколько угодно лент
  • Такая схема надежнее

к оглавлению ↑

Светодиодная (LED) лента RGB

RGB лента представляет собой гибкую печатную плату, на которой расположены светодиоды. Светодиод RGB ленты состоит из трех светоизлучающих кристаллов — синего, красного и зеленого. При смешении света от разных кристаллов в различных соотношениях светового потока можно получать различные цвета, вернее целое многообразие цветов.

Также лента способна воспроизводить белый цвет, но не желательно использовать ленту только в качестве белого света. Когда RGB лента светит белым светом, все три полупроводниковых элемента (кристалла) в диоде работают на полную мощность. Как правило, белый свет от таких лент не очень чистый и может иметь оттенки синего, фиолетового, зеленого и красного, поэтому если есть цель получить хороший белый свет, рекомендуем использовать светодиодную ленту излучающую только один белый свет или использовать специальную ленту RGB+W, где есть ряд многоцветных RGB диодов и отдельный ряд белых диодов.

Контроллеры RGB ленты

Обязательным элементом для использования RGB ленты является контроллер. Это устройство, изменяющее цвет свечения ленты. Контроллеры бывают с дистанционным пультом управления, бывают в виде панели для установки в стену, а бывают для управления с мобильных устройств (планшеты, смартфоны) с подключением через Wi-Fi.

Крепление

Крепится лента на поверхность с помощью клейкой основы на обратной стороне. Многоцветная лента мощностью более чем 14,4 Вт/м — очень мощная, поэтому чтобы ее не перегреть требуется устанавливать ее на теплопроводящую поверхность — специальный алюминиевый профиль. Такой профиль обеспечивает отвод тепла, что обеспечивает большой срок службы ленте. В профиль по желанию можно установить матовый экран (рассеиватель) или прозрачный экран для придания эстетического вида и дополнительной механической защиты.

Степени защиты

Многоцветная RGB лента имеет разные степени защиты от пыли и влаги, что расширяет сферы ее применения. Закарнизная подсветка, подсветка мебели, шкафов — для этого подойдет лента со степенью защиты IP20 (IP22, IP33). Декоративное освещение ванной, сауны, фонтанов — для этого подойдет лента IP65, IP67. Такая лента защищена от брызг, струй и конденсата, ее также удобно использовать и для интерьера, за ней проще уход, с герметичной ленты можно вытирать пыль влажной губкой. Ленту IP67 можно использовать снаружи для контурной подсветки зданий.

Напряжение

5В, 12В, 24В — стандартное напряжение питания RGB ленты. Чаще всего встречаются ленты с напряжением питания 12В, иногда используют 24В. Диодные RGB LED ленты с напряжением 5В — это ленты с особым типом управления, которые создают эффект «бегущего огня». Для определенного напряжения на ленте используем соответствующий блок питания. А для усиления сигнала от контроллера, используем специальный RGB усилитель.