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Es ist bunt, es flimmert... Das will ich haben!

7 July 2020 — Philippe Kieffer, Max Loos & Anne-Sophie Viktor

In der Entreprise SCIENCES haben wir im E-Lab eine LED-Matrix, also sowas wie eine Lampe gebaut, die zum einen ein spaßiges Lernprojekt zur Anwendung von Micro Controllern in der Elektronik und zum anderen ein attraktives Produkt zur Herstellung und Verkauf in der Schule zu sein schien. Es dauerte dann nicht lange bis die Idee kam, die anfänglich eher dekorativen Zwecken dienende Lampe zu mehr wissenschaftlichen Zwecken weiter zu entwickeln. Denn im Prinzip ist eine Matrix vielmehr eine visuelle Anzeige, mit welcher Zahlen, Buchstaben, Piktogramme oder sogar Bilder durch eine Kombination einzelner leuchtender Punkte dargestellt werden können. Man muss dieser Matrix nur die Information zukommen lassen, welche der einzelnen Bildpunkte in welchem Moment, in welcher Farbe und wie hell aufleuchten sollen. Im Sportstadion oder auf einem Open-Air Konzert habt ihr sowas bestimmt schon mal gesehen, so riesige Bildschirme, welche eigentlich nur aus mehreren einzelnen Matrix-Elementen zusammengesetzt sind.

Hier die Entwicklungsgeschichte der LED-Matrix im Überblick:

An einem wie gewöhnlich langweiligen Nachmittag während der ohnehin viel zu langen Sommerferien, surfte Philippe im Internet und entdeckte zufällig ein Video auf Youtube, welches ihn zum Nachbau inspirierte.

Nach den Ferien berichtete Philippe eher nebenbei, dass er in den Ferien eine LED-Matrix zusammengelötet hätte. Auf interessierte Nachfrage hin brachte er diese LED-Matrix Lampe dann einmal mit in die Schule, um diese seinem Lehrer Herr Schleicher im Energy & Electronics Lab zu zeigen.

Philippes tolles Bastelobjekt fand bei diesem begeisterte Bewunderung und sogleich wurde es zum Objekt einer vielversprechenden Produktentwicklung erkoren.

Es dauerte dann nur noch einige Zeit bis Philippe und andere Schüler schließlich die Begeisterung des von so Retro-Sachen faszinierten Lehrers (Originalton Philippe!) für die „Flimmerlampe“ teilten und die erste Bastelversion zu einer stylischen Dekolampe weiterentwickeln wollten. Die relativ aufwendige Elektronik sollte dazu noch in ein edles Gehäuse gefasst werden. Dies geschah in Zusammenarbeit mit dem Designbüro der Entreprise Arts & Métiers.

Wie das Leben so spielt, war unser Vorhaben ziemlich bald von technischen Problemen begleitet:

Platinen selbst herzustellen ist eigentlich keine große Affäre – vorausgesetzt man verfügt über die nötige Ausstattung. Belichtung – und Ätzapparat, die wir zu dem Zeitpunkt in der Schule hatten, waren nicht adäquat, neues passendes Equipment war zwar bestellt aber wann das kommen würde, war nicht absehbar – die Mühlen der Verwaltung mahlen ja bekanntlich sehr langsam.

Kurzentschlossen hatte Philippe, unsere Blitzbirne, wieder einmal während der langweiligen Ferien den nächsten, alle Achtung verdienenden Schritt getan, damit das Projekt zügig vorankommen könnte: er hat einfach mal Geschäftsbeziehungen zu einer Fabrik nach China geknüpft, dort fünf Musterplatinen in Auftrag gegeben und sich diese nach Luxemburg schicken lassen. Wahnsinn, oder?

Das Layout dafür, ebenso das für die Fertigung benötigte Gerber-File, hatte er zuvor schon auf dem Computer vorbereitet gehabt.

Es dauerte auch nicht lange (gerade einmal zwei Wochen) bis die Platinen aus China in Luxemburg eingetroffen waren. Nun konnten wir uns an die Arbeit machen und die 1000 LEDs (die Philippe bei einem anderen chinesischen Hersteller bestellt hatte) auf die Platinen löten.

Das allerdings entpuppte sich ziemlich schnell als schwieriges Unterfangen. Selbst für unsere geübteste Lötmeisterin Anne-Sophie war es eine enorme Herausforderung, diese wirklich sehr kleinen SMD-LEDs akkurat zu verlöten – und dazu noch so viele - 200 SMD-LEDs mit jeweils vier Lötkontakten, pro Platine also 800 Lötstellen!

Naja gut, genaugenommen sind es jeweils nur 196 LEDs, denn es ist eine 14 x 14 LED-Matrix.

Natürlich hätte sie das kaum alleine bewerkstelligen können, oder sicherlich auch nicht wollen, denn das ist schon eine sehr monotone Arbeit. So erfolgte das Löten in Zusammenarbeit mit Max, Philippe, Georges und einigen anderen, welche allerdings allesamt dieser sehr viel Geschick, Konzentration und einiges an Löterfahrung erfordernden Feinarbeit nicht gewachsen waren. Das Resultat waren fünf Matrizen mit zahlreichen kalten Lötstellen und folglich vielen Wackelkontakten und demzufolge sehr unliebsamen Funktionsstörungen.

Damit hatten wir nicht gerechnet. Und solche Probleme konnten wir in dem Moment wirklich nicht brauchen, stand nicht der Weihnachtsmarkt im LEM schon vor der Tür, auf dem wir unser tolles Produkt präsentieren wollten. Das Gehäuse war schließlich auch schon fertig und auch die Bestellformulare, über die weitere Exemplare dieser tollen Lampe hätten bestellt werden können.

Nur, wir hatten noch keine funktionierende Matrix! Voll Panne, gell!

Aber dann, betrat Anne-Sophie das Spielfeld – so nach dem Motto „veni, vidi, vici“. Unserer bisher ungeschlagenen Lötmeisterin, gebührt höchstes Lob und allergrößter Dank, dass sie, die Notsituation sofort checkend, sich unverzüglich an die Arbeit machte, eine der fünf Matrizen zu überarbeitete (d.h. 800 Lötstellen nachlöten! ) und es tatsächlich fertig brachte diese ans Laufen zu bekommen – in allerletzter Minute, aber gerade noch rechtzeitig zur Präsentation.

Uff, das war vielleicht aufregend und spannend!!! Ja ja , wirklich, das könnt ihr uns aber glauben.

Die Mühe hatte sich aber auch gelohnt. Auf dem Weihnachtsmarkt waren die Farbmusterspielereien unserer wundervollen Matrix-Lampe dann natürlich voll der Eyecatcher und es wurden einige Exemplare davon bestellt.

Nun war der Moment gekommen, sich ernsthaft Gedanken zu machen, wie wir das Problem mit der Herstellung zuverlässig funktionierender Platinen (also ohne Wackelkontakte und so) lösen würden. Die beste Idee schien uns, die Platinen in China komplett herstellen, d.h. auch dort bestücken und verlöten zu lassen; noch dazu war diese Lösung sogar viel kostengünstiger und zeitsparender als wenn wir da selbst rumgelötet hätten, wozu wir ja außerdem ... naja ihr wisst schon, so eine Schlappe wollten wir jedenfalls nicht noch einmal einstecken.

Das nötige Know-how, wie man das in Auftrag geben muss, damit unsere gewünschten Platinen über einen Computer der hypermodernen, automatisierten Fertigungsstraße in der chinesischen Elektronikfabrik direkt in Produktion gehen können, hatte Philippe sich mit viel Fleiß selbst angeeignet. Die Lösung eines wichtigen, aber für uns Intelligenzbestien eher kleineren Problems, nämlich die Versorgung der superhellen LEDs mit ausreichend Strom, war auch schnell gefunden.

So haben wir nun ein serienreifes Produkt, das von uns im E-Lab entwickelt und gebaut worden ist. Das Gehäuse wird weiterhin in unseren Ateliers des Designbüros der Abteilung Arts & Métiers hergestellt, und auch der Zusammenbau der einzelnen Komponenten erfolgt dort weiterhin in sorgfältigster Handarbeit von unseren Mitschüler/innen.

An dieser Stelle muss man sagen, dass wir einiges über effiziente Produktionsverfahren und die Anforderungen, die im wissenschaftlichen technischen Bereich an die dort Tätigen gestellt werden, gelernt haben. In diesem Zusammenhang haben wir natürlich auch die Grenzen des Machbaren kennengelernt (besonders beim Löten der vielen Minibauteile) und schnell verstanden, warum heutzutage immer mehr Dinge von Robotern hergestellt werden und was man können und wissen muss oder sollte, wenn man sich in der Hightech-Welt, in der wir leben, zurechtfinden will. Na, die Schattenseiten des Kapitalismus blenden wir an der Stelle lieber mal aus.

Auf jeden Fall ist das für uns eine sehr lehrreiche Erfahrung gewesen, die uns motiviert die Chancen, die uns die Entreprisen im LEM bieten, wirklich zu nutzen und wertzuschätzen.

In diesem Sinne wollen wir die tolle Matrix-Lampe weiterentwickeln, um diese nicht nur als dekorativen Blickfang sondern auch als schmuckes Anzeigeelement für Temperatur, Luftdruck, Raumluftfeuchte oder Zeit nutzen zu können – eine Science-Version sozusagen.

Ein weiteres Ziel ist es, ein Forum zu eröffnen für andere Schüler/innen, die Spaß am Programmieren haben, um den Austausch von Tutorials (Bau- oder Programmieranleitungen) und Programmen (sogenannten Codes) zu ermöglichen, z.B. über unsere Webseite.

Wir hoffen auch ganz sehr, dass sich viele unserer Mitschüler/innen angespornt fühlen, bei uns in den SCIENCES mitzumachen. Hier haben wir viel Spaß und lernen was fürs Leben ... äh, nein, für die Schule ... äh, nein für die Katz ... oder wie war das schon gleich wieder?

Moment mal, das Allerwichtigste hätten wir doch beinahe vergessen: Was ist denn überhaupt drin in dieser sagenumwobenen Ultra-Mega-Super-Matrix? Hier deshalb zum Abschluss dieses Artikels noch ein kleiner Einblick in das Herzstück und dessen Funktionsweise...

Wie funktionert die LED-Matrix?

Die LED-Matrix besteht aus vielen einzelnen Led’s die mit Hilfe eines Micro-Controllers viele verschiedene Muster und Farben wiedergeben kann. Das Herz der Led-Matrix ist ein Atmel ATmega328p AU auf einem Arduino Nano Board. Das ist quasi ein ein Computer im Miniaturformat, den man mit Hilfe der Software Arduino in der Programmiersprache C++ programmieren kann. Diese Arduino-Boards gibt es in vielen verschiedenen Größen und Ausführungen, wie z.B. den Arduino Mega, den Arduino Pro Mini, … doch der bekannteste ist wohl der Arduino Uno, von dem es unzählige Clone gibt.

Mit Hilfe dieses programmierten Prozessors wird jede einzelne der 196 Leuchtdioden des von uns verwendeten Typs WS2812b kontrolliert bzw. angesteuert. Diese einzeln adressierbaren RGB-Leds gibt es die es auch in einer RGBW Version. Sie funktionieren mit Hilfe eines Datenbusses, der einmal alle Leds anfährt und dies in sich ständig wiederholender Folge. Dieser Daten-Bus ist in viele einzelne Segmente aufgeteilt, deren Anzahl durch die Menge an Leds bestimmt wird. So ist der Daten-Bus bei 200 Leds in 200 Segmente aufgeteilt, wobei jedes Segment für eine Led steht. Wenn der Daten-Bus bei einer Led eintrifft, liest sie das erste Segment, führt die darin beschriebene Farbe aus, löscht die im Segment enthaltene Information und gibt nun den bearbeiteten Code an die nächste Led weiter, bis an der letzten Led auch das letzte Segment gelöscht wurde.

Durch diese Funktionsweise müssen die Leds nicht in einer bestimmten Reihenfolge hintereinander angeordnet werden, sondern können nach Belieben zusammengelötet werden. Hier im Bild rechts ist eine LED stark vergrößert zu sehen. In Wirklichkeit ist diese 5 x 5 mm groß, also so groß wie ein Kästchen eines karierten Blattes, und die Lötkontakte nicht einmal 1 mm.

Mit Hilfe der Adafruit Neo Pixel Library kann man die Leds in Arduino einfacher zum Leuchten bringen.

Hier ein Beispiel eines Codes für die Led Matrix mit der Adafruit Neo Pixel library:

#include <adafruit_neopixel.h>   // Hier wird die library eingefügt
#define PIN 6    // Hier wird die Datenleitung definiert
#define NUMPIXELS 196    // Hier wird die Anzahl an Led’s definiert

Adafruit_NeoPixel pixels = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, PIN, NEO_RGB + NEO_KHZ800);

void setup() {
  pixels.begin();    // Hier wird die Led-Matrix gestartet.
}

void loop() {
  pixels.setPixelColor(0, pixels.Color(0,10,10));
  pixels.setPixelColor(14, pixels.Color(0,10,10));
  pixels.setPixelColor(28, pixels.Color(0,10,10));
  pixels.setPixelColor(42, pixels.Color(0,10,10));
  pixels.setPixelColor(56, pixels.Color(0,10,10));
  pixels.setPixelColor(57, pixels.Color(0,10,10));
  pixels.setPixelColor(Nummer der Led, pixels.Color(Rot,Grün,Blau));
  pixels.show();    // Hiermit wird der Daten-Bus gestartet
}

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Author(s): Philippe Kieffer, Max Loos & Anne-Sophie Viktor
Editor: Harald Schleicher
Topic(s): Electronics, Coding

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