Cómo configurar e interactuar con los LED WS2812B para PCB

¿Te apetece reírte un rato? Bueno, tengo una historia que contarte. Soy ingeniero de diseño con décadas de experiencia, pero recientemente un proyecto de LED casi me puso de rodillas de la desesperación que tenía. Solía pensar que los LED eran tan simples como conectar el diodo emisor de luz a una resistencia limitadora y una fuente de alimentación. ¿No son así?

Eso es exactamente lo que se me pasó por la cabeza cuando trabajé en un proyecto de iluminación de maquetas de arquitectura hace un par de años. En este proyecto, los edificios y paisajes se alimentaban con un LED WS2812B; un nuevo y popular tipo de LED integrado en ese entonces. Sin embargo, a diferencia de los LED convencionales, hacer que funcione es más complicado que encender un suministro eléctrico. Esto se debe a que los LED interconectan interactúan con el microcontrolador de una forma única. La interfaz de comunicación entre el microcontrolador y el LED es de un solo cable, pero a diferencia de una interfaz serie UART estándar, es muy específica en el tiempo. Además de ser atractivos para los que queremos usar un procesador en tiempo real para ejecutar sus LED, los LED WS2812B son útiles para proyectos que requieren tiras de LED rojo, verde y azul (RGB) en grandes volúmenes. Los LED WS2812B solo tienen 3 conexiones, independientemente de la cantidad de LED en una tira, lo que evita crear un desastre de cableado.

En qué se Diferencia el LED WS2812B de los LED Convencionales

Para nosotros los ingenieros eléctricos, la palabra LED a menudo evoca el símbolo de un diodo con un par de flechas que indican que es un diodo emisor de luz. En el diseño electrónico, la mayoría de los ingenieros están familiarizados con los LED de doble pin que tienen conexiones de ánodo y cátodo. En los diseños de sistemas integrados, estos pines LED son fáciles de controlar y a menudo se usan como indicadores visuales.

La configuración LED WS2812B es algo muy diferente a un LED cconvencional. Es un LED (RGB) integrado con un chip de control inteligente en un único factor de forma 5050. Admite un protocolo de transmisión de línea única, donde se envían señales de reloj y datos al LED WS2812B, a un mínimo de 400 kbits por segundo, para controlar el valor RGB del LED. El WS2812B pueden conectarse en cascada conectando el pin de "salida de datos" de un LED a la "entrada de datos" del otro.

Esto significa que encender el LED WS2812B no es tan simple como conectar un LED a una fuente de alimentación de 5V CC. Si lo intentas, notarás que no pasa nada. Para que un LED WS2812B funcione, deberás enviar un comando válido al LED WS2812B desde su controlador. Si bien solo se necesita un comando para cambiar el color del LED WS2812B, es difícil transmitir el paquete de datos. Como estás trabajando con una interfaz de tiempo específico, los comandos de lógica 0 y lógica 1 se definen por sus respectivas longitudes de pulso cuadrado. Este tutorial da un ejemplo visual de las respectivas longitudes de cada pulso. Por el contrario, un LED RGB convencional simplemente requiere una señal de modulación de ancho de pulso constante (PWM) para mantener su brillo y color. 

La necesidad de modular parámetros de datos en una señal de reloj llevará al límite tu capacidad de codificación y tu comprensión del microcontrolador. Esto se vuelve aún más complicado cuando se aplica a múltiples LEDs en una tira. Para poner las cosas en perspectiva, un carrete estándar de LED WS2812B suele tener 5 metros de largo con un total de 150 LEDs. En mi experiencia, terminé teniendo que conectar más de un carrete de LED a un único punto de control. Entonces, ¿cuál es la solución para controlar estas elegantes tiras de LED? Para empezar, necesitarás el controlador LED adecuado.

Claves para Diseñar un Controlador LED WS2812B Fiable

Diseñar un controlador LED que funcione correctamente es la clave para conducir una tira de WS2812B. Dos cosas importantes que considerar son que el LED WS2812B comparte una sola línea tanto para el reloj como para los datos, y que admite una velocidad de transmisión de datos mínima de 400 kBits por segundo. Esto hace que el desarrollo sea complicado tanto para el desarrollador de hardware como para el de firmware. 

^{Tiras de LEDs WS2812B}

Dado que los datos de los parámetros RGB se modulan dentro de la propia señal de reloj, la precisión es obligatoria para el microcontrolador (MCU) que controla el LED. Los desarrolladores de firmware dos opciones. Pueden elegir un microcontrolador de 32 bits de alta gama con una inmensa capacidad de procesamiento u optar por un microcontrolador de 8 bits de bajo presupuesto. La MCU de 32 bits simplificará el desarrollo del firmware pero es significativamente más cara. Como alternativa, la MCU de 8 bits podría no generar el paquete de datos WS2812B con precisión. La sincronización es clave para estos LEDs y una diferencia de aproximadamente un microsegundo podría dar como resultado un color diferente.  Hay una forma de evitar este problema, puedes escribir el controlador LED en lenguaje ensamblador. Dicho esto, prepárate para un esfuerzo costoso y complicado en el desarrollo de firmware.

En mi experiencia, opté por el MCU de 8 bits. El coste de desarrollo único fue mucho mejor que pagar por una MCU de 32 bits por cada controlador LED producido. Por supuesto, eso significó un duro período inicial de programación de ensamblaje. En cualquier caso, la elección es tuya. 

Una vez que hayas elegido tu MCU, deberás tener en cuenta que la señal LED WS2812B es sensible a las interferencias externa. Cualquier error de diseño puede provocar señales de datos WS2812B corruptas. Deben seguirse diligentemente las mejores prácticas, como aislar los datos WS2812B de otras señales de alta velocidad y mantener las trazas cortas.

Conocer esta Información sobre LED WS2812B te Ahorrará Problemas Innecesarios

Hasta este punto, puede parecer que todo lo que necesitas para tener un proyecto exitoso basado en la configuración del LED WS2812B es tener un microcontrolador LED funcional. Agárrate, ¡hay más! En proyectos donde se conectan múltiples tiras de LED WS2812B, hay algunos detalles críticos que el equipo técnico que monta la tira de LED debe tener en cuenta. 

 

^{Un error arruinará tu proyecto WS2812B}

Las tiras LED WS2812B consumen alta corriente y provocan una caída de tensión de 2.0V para 150 LED. Esto significa que la conducción del LED requiere una fuente de alimentación con una salida de corriente suficiente, y para garantizar una tensión de funcionamiento estable, las tiras de LED deben tener una conexión positiva de 5V-7V después de cada 150 LED. Sin esto, puedes garantizar colores LED distorsionados y clientes insatisfechos. 

Cuando las tiras de WS2812B se separan y se cablean manualmente, la soldadura se debe realizar con la máxima precisión ya que la línea de datos es extremadamente sensible a interferencias o juntas secas. Un LED WS2812B mal conectado puede resultar en LEDs mostrando colores aleatorios de los que se transmiten. Eso es lo último que querrás para tu proyecto. 

Nos guste o no, la industria de la iluminación LED está cambiando. Ya sea el LED WS2812B u otros LED similares, querrás tener en cuenta que ya no se trata de conectar tiras de LED a una fuente de alimentación y esperar que funcione. Se necesita un esfuerzo de equipo más allá de la PCB para completar un proyecto.

¿Estás listo para comenzar a diseñar tu propio controlador LED WS2812B? ¿Te preguntas cómo enrutar la señal de alta velocidad WS2812B? No querrás perderte las mejores prácticas para el diseño de PCB, especialmente en un proyecto como este. El software profesional de diseño de PCB como CircuitStudio^® puede ayudarte a empezar. 

¿Tienes alguna pregunta sobre los LED? Contacta a un experto en Altium.