Diody ws2812b, napięcie sterujące

[Elvis]

W pierwszych eksperymentach z WS2812B używałem Arduino UNO. Tak jak napisałem wcześniej, było to proste, łatwe i przyjemne. Właściwie wystarczyło podłączyć układ, dodać bibliotekę i wszystko działało - chociaż oczywiście z ograniczeniami.

Opisując sterowanie za pomocą UART chciałem wykorzystać inny mikrokontroler. Możliwe że nie było to konieczne i pewnie znacznie więcej można "wycisnąć" z atmegi 328p, ale jak napisałem wcześniej zmiana układu ma swoje plusy, a nawet jeśli nie ma, to była okazją do przetestowania innych rozwiązań

Dawniej standardem zasilania mikrokontrolerów było napięcie 5V. Atmega328p z racji wieku, ma tę niewątpliwą zaletę, że zarówno do zasilania rdzenia, jak i peryferiów jest używane właśnie takie napięcie. Można więc podłączyć pasek WS2812B zasilany z 5V i wszystko powinno działać.

Natomiast, gdy używamy mikrokontrolerów pracujących z logiką 3.3V, mogą pojawić się problemy. W dokumentacji WS2812B znajdziemy następującą informację:

Jak widzimy napięcie do 0,3 V_in będzie traktowane jako stan niski, natomiast powyżej 0,7 V_in jako wysoki. Z pierwszym parametrem raczej nie będziemy mieli problemów, ale z drugim może być już trudniej. Jeśli zasilamy pasek LED z napięcia 5V, to 0,7 * 5V = 3,5V, czyli więcej niż mikrokontroler może zaoferować.

Przy okazji warto zwrócić uwagę, że problem z którym się musimy zmierzyć nie dotyczy tylko WS2812B. To ogólny problem sterowania układu pracującego w 5V-logice przy użyciu 3.3V mikrokontrolera.

Na szczęście znajdziemy wiele możliwych rozwiązań naszego problemu, będziemy mogli więc wybrać taki, który najbardziej nam pasuje.

Rozwiązanie 1: czyli zignorowanie problemu

Właściwie nie powinienem o tym pisać, bo to jest złe, niedobre i niepoprawne, ale zawsze można spróbować po prostu podłączyć mikrokontroler zasilany z 3.3V do paska pracującego z 5V. Okazuje się, że to na ogół działa. Pin sterujący jest wejściem WS2812B, więc nie pojawia się na nim 5V. Dzięki temu nie ma ryzyka uszkodzenia mikrokontrolera. Natomiast układ może nie działać (a nawet nie powinien o ile wierzymy dokumentacji), ale jak napisałem wszystkie diody które testowałem działały bez problemu.

Jest to więc niepoprawne, ale często działające rozwiązanie.

Rozwiązanie 2: obniżenie napięcia zasilania WS2812B

Okazuje się, że napięcie 5V chociaż typowe wcale nie jest minimalnym do pracy ws2812B. Jeśli mamy zasilacz z regulowanym napięciem wyjściowym możemy zamiast 5V użyć nieco niższego napięcia. Dzięki temu zmniejszymy straty mocy, a sam pasek będzie świecił równie jasno (opinie są podzielone, ale z moich testów wynika że zejście nawet do 4V nie ma wpływu na jasność świecenia). W każdym razie już przy 4,7V będziemy "na styk" z dokumentacją, ale już przy 4,5V wszystko powinno działać poprawnie i z niezbędnym zapasem.

Kolega @ethanak zaproponował bardzo ciekawe rozwiązanie "hybrydowe". Można wykorzystać jeden moduł WS2812B, który zasilimy z niższego napięcia do wysterowania kolejnych. Do obniżenia używając nawet jednej lub kilku diod prostowniczych. W przypadku paska led takie rozwiązanie wydaje się nieco kłopotliwe, ale większość pasków można rozcinać - więc wystarczy odciąć jedną diodę i wykorzystać jako sterownik. Bardzo sprytne rozwiązanie

Rozwiązanie 3: dedykowany układ scalony

To chyba moje ulubione rozwiązanie. Może niezbyt tanie i proste, ale za to skuteczne i teoretycznie bezawaryjne. Po prostu musimy wybrać odpowiedni układ scalony, który wykona za nas całą pracę. Dostępnych jest mnóstwo opcji, są dedykowane układy tzw. https://en.wikipedia.org/wiki/Level_shifter. Przykład takiego układu znajdziemy np. analizując schemat płytki Maximator (http://maximator-fpga.org/), która wyposażona jest w układ FPGA pracujący w logice 3.3V.

Dostępne są gotowe moduły z podobnymi układami, np. https://botland.com.pl/pl/rozszerzenia-gpio-nakladki-hat-do-raspberry-pi/4290-konwerter-poziomow-logicznych-txb0104-dwukierunkowy-4-kanalowy-sparkfun.html Jeśli ktoś uważa, że cena jest nieakceptowalna, może poszukać tańszych odpowiedników np. na aliexpress. Ceny podobnych modułów zaczynają się od 4zł z przesyłką.

Prawdopodobnie tańszym rozwiązaniem będzie wybranie odpowiedniego układu z rodziny 74. Przykładowo SN74LV1T34 (http://www.ti.com/product/SN74LV1T34) - jeśli znacie inne, np. tańsze, łatwiej dostępne układy, piszcie w komentarzach - ten model znalazłem na szybko za pomocą google, wcale nie twierdzę że to najlepszy układ na świecie.

Rozwiązanie 4: wyjście open-drain lub open-collector

To rozwiązanie jest pozornie proste. Jeśli nasz mikrokontroler toleruje napięcia 5V oraz ma możliwość przełączenia wyjścia w tryb open-drain, wystarczy podłączyć rezystor podciągający do 5V i teoretycznie wszystko działa.

Pierwszy problem to tolerancja 5V. Nie wszystkie układy mają taką możliwość, więc np. jeśli chcemy z ESP32 wysterować diody WS2812B nie możemy bezpośrednio podłączyć rezystora pull-up. Możemy to łatwo obejść dodając tranzystor, ale to już nie jest tak proste jak wcześniejsza opcja.

Drugi, dużo poważniejszy problem to ograniczenia takiego sterowania. Jak pewnie wszyscy wiedzą, sygnały nie zmieniają się natychmiast, nawet "idealny" prostokąt ma swoje czasy narastania. Jeśli użyjemy układu open-drain, to zmiana ze stanu niskiego na wysoki będzie trwała dość długo - jest to wręcz książkowy układ R-C (https://pl.wikipedia.org/wiki/Układ_RC), więc stała czasowa t=R * C. W nocie katalogowej WS2812B znajdziemy informację o pojemności wejściowej wynoszącej 15pF. Do tego musimy doliczyć pojemności wprowadzane przez PCB lub/i przewody.

Podstawmy kilka wartości R do wzoru:

Jak widzimy przy typowej wartości rezystora podciągającego, czyli 47k stała czasowa wynosi 705ns - to oznacza że po tym czasie na wyjściu będziemy mieli napięcie ok. 63% docelowego (czyli mniej niż wymagane 0,7V_in). W przypadku 10k jest nieco lepiej, ale 95% docelowej wartości otrzymamy po czasie 3 * t, czyli większym niż szerokość impulsu, który staramy się uzyskać. Dopiero bardzo małe rezystory podciągające, jak 4k7, czy 1k dają w miarę rozsądne czasy. Jednak ich użycie oznacza dość spore prądy wpływające do mikrokontrolera.

Wykonałem kilka pomiarów, żeby przetestować takie sterowanie w praktyce.

Testy

Pierwsze dwa rozwiązania działały na wszystkich posiadanych przeze mnie diodach. Ponieważ do zasilania używam zasilacza laboratoryjnego, więc zmniejszenie napięcia z 5V do 4,5V było bardzo łatwe. Jak napisałem wcześniej, nie powoduje to widocznej zmiany jasności świecenia.

Trzecie rozwiązanie testowałem używając płytki Maximator. Jak można się spodziewać wszystko działa wówczas bardzo dobrze, a FPGA pozwala na sterowanie WS2812B bez "sztuczek" z UART, SPI, czy innymi modułami.

Ostatnie rozwiązanie postanowiłem sprawdzić podłączając oscyloskop. Na początek dla porównania pierwsza opcja, czyli sterowanie WS2812B bezpośrednio z 3.3V:

Tutaj przydałby się lepszy oscyloskop, ale jak się nie ma co się lubi... W każdym razie widać silne dzwonienie sygnału. Warto przetestować polecane często w internecie wpięcie rezystora szeregowego w linię sterującą. Po podłączeniu 82 Ohm oscylogram wygląda następująco:

Użycie 220 Ohm sprawia daje jeszcze ładniejszy rezultat:

Nie jestem niestety ekspertem od elektroniki analogowej, ale mam nadzieję, że ktoś - może @marek1707 ładniej opisze dlaczego warto (albo nie) dodawać rezystor szeregowo. W każdym razie wyraźnie widać różnicę.

Jednak celem testu miało być co innego - zmieniam więc wyjście mikrokontrolera na open-drain, podłączam zasilanie 5V do paska WS2812B oraz rezystor podciągający 33k (z 47k było jeszcze gorzej, a później gdzieś sobie poszedł):

Diody oczywiście nie działają z takim rezystorem. Zmieniam więc na 10k:

Układ nadal nie działa, ale jest postęp. Czas podpiąć 4k7:

Wykres nadal fatalny, prąd 1mA wpływa do biednego mikrokontrolera, natomiast co ciekawe układ działa.

Na koniec jeszcze pull-up 1k:

Tutaj jak widzimy jest już prawie dobrze. Czasy narastania nadal są kiepskie, prąd wynosi aż 5mA - ale chociaż działa.

Podsumowanie

Sposobów na rozwiązanie problemu podłączenia WS2812B jest na pewno więcej. Opisałem kilka, które znam oraz które pojawiały się ostatnio na forum. Jeśli macie jakieś uwagi, pomysły na lepsze rozwiązania, piszcie proszę w komentarzach.

Tylko bardzo proszę o merytoryczną dyskusję, a nie przekonywanie się nawzajem że moja racja jest najmojsza... Każdy problem można rozwiązać na wiele sposobów, a dzieląc się wiedzą wszyscy tylko zyskujemy.

Edytowano Grudzień 27, 2019 przez Elvis

[Gość]

Te diody mają dość powolną komunikację więc prędkość przełączania nie ma tu aż tak dużego znaczenia. Jeśli jednak ktoś potrzebuje szybkiej translacji 3.3 -> 5v lub odwrotnie to nieźle się do tego nadają bramki logiczne AND LVC przy komunikacji w jedną stronę. Zmiana stanu z L na H trwa poniżej 10ns. Wystarczy jedną nóżkę połączyć na stałe do +. Bramki są szybsze od tych tanich buforów a można je zasilać napięciem nawet do 6V, minimalne napięcie stanu wysokiego to 2V.

[Sfaragdas]

Cześć, a gdy jest akku (bateria) 3.7v to nie można WS2812B podpiąć bezpośrednio? 
Pytanie jak to zadziała stosując: 

Seeed Xiao ESP32-C3
bateria 3,7v
Baterie podłączana pod dedykowany pin z którego również zasilimy WS2812B,
GND też byłoby wspólne
ESP i WS spinamy tylko sygnałowym

mamy więcej niż 3.3, rozładowane accu i tak nie da mniej niż wspomniane 3.5 z artykułu, ładując mamy więcej niż 4 ale i tak mniej niż 5.  

z góry dzięki za feedback.

[Elvis]

@Sfaragdas witamy na forum

Diody WS2812B wymagają napięcia zasilania co najmniej 3.5V, więc podłączenie ich do akumulatora o napięciu 3.7V teoretycznie powinno działać, ale w praktyce napięcie akumulatora ulega zmianom i szybko może się okazać, że diody WS2812B nie działają jak powinny. 

Więc odpowiadając na pytanie - czy można podłączyć? Pewnie tak, chyba nic złego się nie stanie. Ale czy będzie działać, to już nie jestem pewien. Przy maksymalnie naładowanych akumulatorach pewnie zadziała, ale gdy ulegną rozładowaniu mogą pojawić się problemy.

Radziłbym więc jednak zasilać WS2812B napięciem bliższym 5V.