WS2812 - Digital steuerbare RGB-LEDs

Wichtig

WS2812-RGB-LEDs eignen sich weniger gut für die dauerhafte Beleuchtung mit der Farbe Weiß. Der Grund ist der enorme Spannungsabfall über eine Länge von mehreren Metern. Die Folge sind Helligkeitsschwankungen. Bei WS2812-Systemen für eine Betriebsspannung von 12 Volt wird das Problem geringer sein.

Lichteffekte
Ambilight
Lichtstimmung erzeugen
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Unter der Bezeichnung WS2812 gibt es einzeln steuerbare RGB-LEDs, LED-Module und -Platinen in Form eines Streifens, Rings oder rechteckige Matrizen. Sehr beliebt sind auch Lichterketten oder auftrennbare Bänder mit unterschiedlicher LED-Dichte (Abstand) von der Rolle. So gibt es für jeden Anwendungsfall und -ort viele unterschiedliche Lösungen.
Insbesondere die RGB-LED-Bänder sind sehr beliebt, um Lichteffekte in verschiedenen Farben zu erzeugen. Dazu muss das RGB-LED-Modul mit einer Stromversorgung und einem Controller verbunden werden.

Die Abkürzung RGB steht für die Farben Rot, Grün und Blau. RGB bezeichnet ein Farbmodell, mit dem bestimmte Farbanteile angegeben werden. Aus den Farbanteilen der Grundfarben Rot, Grün und Blau mischt man beliebig andere Farben. Theoretisch lassen sich fast alle Lichtfarben darstellen. Mit herkömmlichen RGB-LEDs ist das in der Praxis aber nur bedingt realisierbar. Mit RGB-LEDs lassen sich gerade mal 7 Farben erzeugen: Rot, Grün, Blau, Gelb, Pink, Hellblau (Cyan) und Weiß. Wenn man ein gutes Mischungsverhältnis wählt, bekommt man auch noch Orange, Hellgrün, Himbeere und noch weitere Farben hin. Mehr geht nicht.

WS2812 sind digital steuerbare, verkettete RGB-LEDs mit einem integrierten digitalen Steuerungschip, der es ermöglicht alle verketteten LEDs gemeinsam anzusteuern und einzeln zu adressieren. Das heißt, es kann jeder RGB-LED eine eigene Farbe und Helligkeit zugewiesen werden. Neben der Stromversorgung reicht dafür eine einzige Datenleitung aus. Die Software-seitige Ansteuerung erfolgt mit Hilfe eines Mikrocontrollers. Zum Beispiel Arduino, ESP oder Raspberry Pi Pico.

Der Vorteil von WS2812 im Gegensatz zu einzelnen RGB-LEDs ist der geringere Verkabelungsaufwand.

WS2811 vs. WS2812

Neben dem WS2812 findet man häufig auch noch die Bezeichnung WS2811. Der wesentliche Unterschied zwischen WS2811 und WS2812 ist der, dass der WS2811 ein eigenständiger IC ist, an dem eine RGB-LED angeschlossen werden muss oder angeschlossen ist. Beim WS2812 ist IC und LED ein Bauteil. Das IC ist in die LED integriert.
In der praktischen Anwendung dürfte es irrelevant sein, ob WS2811 oder WS2812 verwendet wird. Die Farbgebung soll beim WS2812 besser sein.

Energieversorgung

Das dargestellte WS2812-Modul funktioniert laut der Beschriftung auf der Rückseite der Platine mit einer Spannung zwischen 4 und 7 Volt. Es funktioniert aber auch mit einer Betriebsspannung von 3,3 Volt.
Dabei muss aber beachtet werden, dass wenn man mehrere dieser Module hintereinanderschaltet, eine Betriebsspannung von 3,3 Volt zu klein sein kann, um alle Module zusammen mit Strom zu versorgen. Außerdem muss dabei auch die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung berücksichtigt werden. Mehrere oder längere Module mit vielen RGB-LEDs benötigen eine eigene Stromversorgung.

Energieversorgung berechnen

Neben der Betriebsspannung ist der Stromverbrauch des Moduls, der Platine oder des Bandes zu ermitteln. Bei voller Helligkeit (Weiß) soll der Stromverbrauch bei ca. 60 mA pro LED liegen. Er kann aber auch deutlich darunter oder sogar darüber liegen. Das hängt davon ab, welche RGB-LED verbaut ist. Wir gehen hier vom Typ SMD 5050 aus (Größe 5 x 5 mm).

Berechnung des gesamten Strombedarfs:

Berechnung des gesamten Strombedarfs

Bei einer WS2812-Platine mit 8 RGB-LEDs:

Strombedarf einer WS2812-Platine mit 8 RGB-LEDs

Aber Achtung, der Controller braucht auch ein wenig Strom. Der Raspberry Pi Pico verbraucht in der Spitze ca. 20 mA.

Das macht zusammen 500 mA bzw. 0,5 A.

Normalerweise dimensioniert man das Netzteil so, dass noch 20% Luft nach oben ist. In dieser Rechnung also eher rund 0,6 A bzw. 600 mA.

Hinweis: Bei der Verkettung mehrerer Ketten mit über 60 LEDs kann es sein, dass die LEDs am Ende der Kette weniger hell leuchten oder die Farben verfälscht sind. Das liegt daran, dass über die Länge der Kette bei den LEDs am Ende der Kette nicht genug Spannung ankommt. Dann müssen die Einzelteile der gesamten Kette mit einer eigenen Stromversorgung versehen werden.

Was passiert, wenn das Netzteil zu wenig Strom liefert? Wenn der Strombedarf einer Schaltung oder eines Geräts zu groß ist, dann wird die Betriebsspannung einbrechen und das zu versorgende System wegen Unterspannung außer Betrieb gehen.

Anschlussbelegung eines WS2812-Moduls mit 8 RGB-LEDs

VCC: 4 bis 7 Volt
GND: Masse / Ground / 0 Volt
DI: Daten-Eingang von der Steuerung oder dem vorhergehenden Modul
DO: Daten-Ausgang zum nächsten Modul

Beispiele und Anwendungen mit WS2812

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