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Wer es gern bunt treibt: der ultimative RGB-Guide für alle, die nach einer Erleuchtung suchen

Digitale LEDs kennt man auch unter der Eigenschaft, dass sie adressierbar sind, also individuell ansteuerbar. Im Gegensatz zu analogen LEDs wird hier die Farbe und Helligkeit der einzelnen Farbemitter nicht durch eine Spannungs- oder Stromsteuerung realisiert, sondern über ein Datenprotokoll. Von der Stromversorgung gesehen sind digitale, adressierbare LEDs parallelgeschaltet, vom Datenprotoll und seinem Signalweg her aber in Reihe. Vorteilhaft bei diesem LED-Typ in der Fertigung ist die Tatsache, dass man keine weiteren Bauteile mehr braucht, außer einem kleinen Stützkondensator.

 

Sehr selten trifft man auf digitale LED-Streifen, die mit einer Betriebsspannung von 12 V laufen, fast immer findet man im PC-Bereich 5 V. Großer Beliebtheit erfreut sich dieser LED-Typ durch die quasi unendlichen Animationen und die große Flexibilität im Lichtdesign. Natürlich braucht man zum Betreiben dieser LEDs wieder einen eigenen Controller, aber auch viele Mainboards bieten mittlerweile digitale LED-Anschlüsse, die man dort meist ADD_HEADER nennt.

Schauen wir uns einen beispielhaften Aufbau eines solchen LED-Stripes mit der bekannten digitalen RGB-LED-Type namens WS2812B an, so erkennen wir gleich die parallele Spannungsversorgung und die serielle Datenversorgung. VDD beschreibt dabei die Spannungsversorgung jeder einzelnen LED, VSS ist dem entsprechend Ground, also Masse. DIN steht in diesem Fall nicht für Industrienorm, sondern ist abgekürzt für Data-In, also dem Eingangs-Pin für das digitale Datensignal. DOUT ist der Ausgang für das Datensignal.

Je nach Ausführung erkennen wir noch Stützkondensatoren mit einer Kapazität von 104µF (Mikrofarad), die die elektrische Spannung der LED bei schnellen Helligkeitswechseln aufrechterhalten. Wir finden digitale LEDs eigentlich immer als 5050 Packages: PLCC 6 und PLCC 4.

Nun stellt sich die Frage, woher eine solche LED weiß, wie sie das Datensignal interpretieren muss und dort kommt der berühmte WS2811-Chip ins Spiel, der bei WS2812 LEDs bereits im LED-Körper integriert ist. Verbaut man ihn diskret, sieht er so aus wie links dargestellt. Da es das SOP-8 (Small Outline Package 8) nur mit geraden Zahlen als Anschlussmöglichkeiten gibt, können wir davon ausgehen, dass drei weitere Pins für je eine Farbe des RGB zuständig ist.

Wir werfen einen Blick auf das Datenprotokoll und das Datensignal unter dem Oszilloskop. Wir sehen, dass das Signal für die Daten, wie beim PWM auch binär ist. Es gibt also logische Einsen und logische Nullen, die auf der Leitung als High-Pegel und Low-Pegel mit einer Spannung repräsentiert werden. Das alleinige Ansehen dieses Pegels hilft uns nicht dabei, das Protokoll zu lesen, denn dies ist ohne Interpreter so gut wie unmöglich. Wir können also nicht sagen, welche Farbe bei welcher Leuchtstärke gerade läuft. Diese kleine Messübung lässt uns nur darüber urteilen, dass das Datensignal von der Qualität her in Ordnung ist und es weder Overshoots, noch andere Signalinterferenzen gibt.

 Die Emittereigenschaften der einzelnen LED-Farben bleiben im Vergleich zu analogen LEDs fast identisch. Die Charakteristik von WS2812 LEDs teilt uns aber mit, dass wir bei der Vollansteuerung einer Farbe einen Strom von 20 Milliampere erwarten können. Würden wir diese LED so hell Weiß leuchten lassen wie möglich, hätten wir schon einen Strom von 60mA für nur ein Pixel auf dem Stripe. Wer schon einmal mit gewissen Konfigurationsprogrammen für digitale LEDs zu tun hatte, frägt sich vielleicht, wozu die oft verwendete Option Namens „Color Order“ vorhanden ist.

Ein Blick auf das rechte Bild erörtert die Bitfolge der Farben innerhalb des Protokolls. Diese ist: G, R, B, also genau wie bei den analogen LEDs auch. Ich kann in der Controllerkonfiguration diese Order auch ändern, allerdings erhalte ich dann vertauschte Farben, denn die Bitwertigkeit und Abfolge bleibt bestehen, der WS2811 Chip steuert aber die falschen Farbkanäle an, weil die Farbreihenfolge falsch ist.

Doch auch die Welt der digitalen LEDs muss natürlich nicht einheitlich, sondern verwirrend sein, deswegen habe ich euch hier eine kleine Tabelle geschrieben:

Der WS2811 Typ ist genau wie der WS2812 Typ schon relativ lange obsolet und verschwindet mehr und mehr vom Markt. Am häufigsten begegnet man WS2812B oder mittlerweile auch WS2813 und vereinzelt WS2815. WS2813 zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Backup-Datenleitung gibt. Fällt eine LED in der Kette also aus, so sind die LEDs hinter der Bruchstelle nicht betroffen. WS2815 hat dieses Backup ebenfalls, läuft aber auf 12 Volt und braucht damit noch weniger Strom. Alle WS und SK Typen sind im Datenprotokoll miteinander kompatibel, je nach Hersteller muss man allerdings die Color-Order ändern.

Zum Schluss dieses Abschnitts nochmal das Wesentliche kurz zusammengefasst:

  • Digitale RGB LEDs werden über ein Datenprotokoll gesteuert und brauchen dazu einen Controller
  • Man erkennt sie am PLCC 6 oder PPLCC 4 SMD 5050 Package
  • Sie weisen Drei oder Vier Kupferpads an der Trennstelle auf
  • Die Betriebsspannung sind meist 5 Volt, seltener 12 Volt
  • Sie brauchen mehr Strom als analoge RGB-LED-Streifen

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About the author

Bernhard Baumgartner

Bernhard ist langjähriger Hardwareentwickler in der Optoelektronik, der gern mal aus dem Nähkästchen spricht und mit seinem Start-Up CrankzWare einen plattform- und herstellerunabhängigen RGB-, Fan- und Pumpencontroller namens RainPOW entwickelt hat und vertreibt.

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