Микросхема WS2811 компании Worldsemi [1] является трехканальным драйвером для управления светодиодами стабилизированным током, при этом обеспечивается 256 градаций яркости по каждому каналу (обычно это R красный, G зеленый, B синий, RGB). В этой статье представлен перевод даташита "WS2811 Signal line 256 Gray level 3 channel Constant current LED drive IC".

Яркость светодиодов, подключенных к WS2811, управляется последовательным цифровым кодом, который формируется микроконтроллером. Данные при этом передаются всего лишь по 1 проводу. Цифровой сигнал управления проходит сквозь микросхему WS2811, так что несколько микросхем WS2811 могут быть объединены в длинную цепочку с сохранением возможности управлять каждым светодиодом в цепочке по отдельности.

[Особенности микросхемы WS2811]

• Рабочее напряжение выходного порта до 12V.
• Имеется встроенный регулятор напряжения питания VDD, так что можно питать микросхему даже от 24V, если последовательно подключить гасящий напряжение резистор
• Может быть установлено до 256 уровней яркости, и при этом частота сканирования составляет не менее чем 400 Гц.
• Имеется встроенный узел восстановления формы входного сигнала данных, что обеспечивает отсутствие накапливания искажений на линии сигнала.
• Имеется встроенный узел сброса, который сбрасывает микросхему при включении и восстановлении питания.
• Сигнал от одной микросхемы к другой может быть передан через один сигнальный провод.
• Любые две точки между приемником и передатчиком сигнала могут находиться друг от друга на расстоянии более 10 м без необходимости дополнительных усилителей.
• При скорости обновления 30 fps (30 кадров/сек) модель каскадирования на низкой скорости позволяет соединить в цепочку не менее 512 точек, на высокой скорости можно соединить не менее 1024 точек.
• Данные передаются на скоростях до 400 и 800 Kbps (килобит/сек).

WS2811 могут применяться для создания декоративного освещения с помощью светодиодов (LED), а также для видеоэкранов либо информационных табло как внутри помещения, так и снаружи.

[Общее описание WS2811]

WS2811 имеет 3 выходных канала специально для управления LED. В микросхеме имеется встроенный продвинутый цифровой порт данных с возможностью усиления сигнала и восстановления его формы. Также в микросхему встроен точный внутренний генератор и программируемый источник постоянного выходного тока, рассчитанный на рабочее напряжение до 12V. Для снижения пульсаций напряжения питания 3 выходных канала разработаны с функцией задержки включения (delay turn-on function).

Микросхема использует режим обмена данными NZR (Non-return-to-zero, код без возврата к нулю [2]). После сброса при подаче питания (power-on reset), порт DIN принимает данные от внешнего контроллера, при этом первая микросхема собирает первые 24 бита данных, и затем передает их во внутреннюю защелку данных, при этом у остальных данных восстанавливается форма с помощью узла восстановления и усиления, и эти остальные данные передаются следующей в цепочке микросхеме через порт DOUT. После прохождения каждой микросхемы количество бит в общем потоке уменьшается каждый раз на 24 бита. Технология автоматического восстановления передаваемого сигнала данных устроена таким образом, что количество каскадируемых микросхем ограничивается только скоростью передачи и требуемой частотой обновления яркости светодиодов.

Данные, защелкнутые в микросхему (24 бита), определяют скважность сигнала выходных портов OUTR, OUTG, OUTB, управляющих светодиодами - применяется PWM (ШИМ, широтно-импульсная модуляция), так что от скважности импульсов выходных портов зависит яркость каждого канала. Все микросхемы в цепочке синхронно отправляют принятые данные на каждый сегмент, когда поступит сигнал сброса на входной порт DIN. Далее будут снова приниматься новые данные после завершения сигнала сброса. До поступления нового сигнала сброса управляющие сигналы портов OUTR, OUTG, OUTB остаются неизменными. Микросхема передает имеющиеся данные PWM на порты OUTR, OUTG, OUTB после приема сигнала сброса низкого уровня, еще в течение 50 мкс.

Часто микросхема WS2811 встраивается прямо в корпус RGB-светодиода (это решение применяют в популярных светодиодных лентах), такой светодиод называется 5050 RGB LED.

Отдельно микросхема WS2811 поставляется в корпусах SOP8 и DIP8.

В таблице ниже показано назначение ножек WS2811.

[Absolute Maximum Ratings (предельные эксплуатационные значения)]

Примечание: если напряжения на выводах превысят максимальное значение, то это может необратимо повредить микросхему.

[Электрические характеристики]

T_A = -20 .. +70^oC, V_DD = 4.5 .. 5.5V, V_SS = 0V, если не указано что-то другое.

[Динамические характеристики]

T_A = -20 .. +70^oC, V_DD = 4.5 .. 5.5V, V_SS = 0V, если не указано что-то другое.

[Интервалы времени для режима низкой скорости (Low Speed mode)]

В этой таблице показаны интервалы времени, которыми кодируются биты данных 0 и 1, и сигнал сброса.

Примечание: для режима высокой скорости все интервалы времени уменьшаются в 2 раза, но время сброса (reset time) остается неизменным.

Диаграммы поясняют принципы кодирования и передачи данных.

Микроконтроллер посылает данные для микросхем D1, D2, D3 и D4. Микросхемы соединены в цепочку, и данные, которые проходят через них (DIN -> DOUT), восстанавливаются и усиливаются. При этом от последовательности данных каждый раз отрезается по 24 бита данных, которые предназначены именно этой микросхеме после прохождения массива данных для всех микросхем следует сигнал сброса RES (импульс лог. 0 с длительностью не менее 50 мкс). После этого принятый уровень яркости (24 бита на микросхему) передается на выходы PWM OUTR, OUTG, OUTB. Вот так составлена последовательность 24 бит, которая кодирует уровни яркости каналов OUTR, OUTG, OUTB микросхемы (старший MSB бит идет первым):

[Стандартные схемы включения]

Пример 1 - напряжение питания 5V, 1 светодиод RGB на микросхему.

В этом примере каждый канал в светодиоде RGB управляется постоянным током 18.5 мА, яркость светодиода при этом определяется скважностью PWM (ШИМ). Благодаря стабилизации тока при снижении напряжения питания светодиоды сохраняют свою яркость и цветовую температуру. Для того, чтобы пульсации напряжения питания не влияли на работу микросхемы, рекомендуется использовать фильтрующую цепочку, состоящую из последовательного резистора номиналом на более 100 Ом и блокирующего конденсатора емкостью порядка 0.1 мкФ. Для предотвращения отражений сигнала и для обеспечения возможности горячего соединения в цепь сигнала должен быть включен последовательный резистор номиналом в 33 Ом.

Пример 2 - напряжение питания 12V, 3 светодиода RGB на микросхему.

Как и в предыдущем примере, светодиоды управляются стабилизированным током 18.5 мА. R1 используется для нормальной работы внутреннего стабилизатора напряжения микросхемы, его номинал должен быть 2.7 кОм. Обычно на красном светодиоде всегда падает меньше напряжение при том же самом токе, чем на светодиодах других цветов, и красный светодиод светится ярче. Поэтому канал OUTR должен иметь дополнительный резистор RR, сопротивление которого можно рассчитать по формуле:

         12 - (3 * V_LEDR)
RR = ------------- кОм
          18.5

В этой формуле V_LEDR равно падению напряжения на одном светодиоде красной группы (обычно равно 1.8V .. 2V).

[Как устроена светодиодная RGB-лента]

На фото показана обычная влагозащищенная светодиодная RGB лента, построенная на основе технологии микросхем WS2811 (WS2811 waterproof LED Strip) длиной 5 метров, модель GE60RGB2811C. Обычно такая лента поставляется намотанной на бобину, вместе с крепежом для монтажа на стену. Для питания ленты нужен источник стабилизированного напряжения 5V 18A (потребление мощности 18 Вт на 1 метр). На концах ленты установлены коннекторы вход папа (сюда заходит цифровой сигнал и должно быть подключено питание) и выход мама (отсюда выходит цифровой сигнал и здесь также может быть подключено питание), благодаря чему ленты можно соединять друг с другом для увеличения общей длины.

Лента собрана на ленте из тонкого текстолита (гибкая двухсторонняя печатная плата) и устроена так, что ленту можно обрезать в любом месте для получения нужного размера.

Для управления RGB светодиодной лентой используют специальные контроллеры, которые программируются от компьютера через USB или с помощью карты SD. Контроллер может задавать сложный автоматический алгоритм управления лентой, некоторые могут даже работать как цветомузыка - с помощью встроенного микрофона анализируют звук и в такт мелодии управляют цветом ленты.

[UPD140530]

Появились в продаже китайские RGB-ленты с еще более плотным размещением светодиодов: 144 шт. на 1 м., называется WS2812B.

[Ссылки]

1. WS2811 site:www.world-semi.com.
2. Non-return-to-zero site:wikipedia.org.
3. AVR-USB-MEGA16: цветомузыка на светодиодной RGB-ленте WS2811.