LED-Cubes beeindrucken mit tollen Lichteffekten, sind aber nicht ohne Mühe zu realisieren. Auf Basis des Cube:Bit-Bausatzes lässt sich ein solcher LED-Würfel ohne Löten und Bastelarbeit aufbauen und programmieren.
Nachdem ich schon einige Modelle von LED-Würfeln im Eigenbau konstruiert hatte, bin ich auf die Cube:Bit Magical RGB Cubes of Awesome [1] aufmerksam geworden. So lautet der Name für den Bausatz und die Softwarebibliothek, deren Basis wir nutzen und weiterentwickeln wollen. Das interessante Konzept unterscheidet sich von anderen LED-Cubes, setzt man hier doch auf den Einsatz von NeoPixel-Elementen.
Die mittlerweile gut bekannten RGB-LEDs lassen sich über nur eine Datenleitung einzeln ansprechen und in Farbe und Helligkeit verändern. Schon länger gibt es Tafeln sowie strang- und ringförmige Module. Seit einiger Zeit sind auch sogenannte Slices erhältlich, spezielle Gitter zum Aufbau von Würfelebenen. Von 4tronix entwickelt, werden sie derzeit mit 3er-, 4er- und 5er-Kantenlängen angeboten [2].
Magical RGB Cube
Wie sonst auch verfügt jedes Pixel über einen eigenen Steuerchip (WS2812) und lässt sich per Eindrahtbus in 256 Helligkeitsstufen und Vollfarben steuern. Einsteiger finden im Web ausführliche Anleitungen zum Ansteuern der LEDs. Damit bringen die Eigenschaften der fertigen Gitter (Abbildung 1) einige Vorteile für den Würfelaufbau mit sich: Es entfallen zusätzliche Schieberegister, Controller und LED-Treiber sowie die Verdrahtung umfangreicher Zusatzelektronik.
Abbildung 1: Die einzelnen Slices mit NeoPixel-Elementen. Im Vergleich mit einem selbst gelöteten LED-Würfel tragen die Verbindungsstreben deutlich kräftiger auf.
Im Gegensatz zu klassischen Würfeln muss man sich nicht mehr um das Multiplexen der einzelnen Ebenen kümmern, und es treten kaum Helligkeitsunterschiede bei unterschiedlicher Anzahl von gerade leuchtenden LEDs auf. Unser hier vorgestellter NeoCube erfordert neben der Stromversorgung nur noch eine intelligente Beschickung der Datenleitung. Die kann ein Controller-Board übernehmen; mit einem Kleinrechner wie dem Raspberry Pi lässt sich noch wesentlich mehr umsetzen.
Zudem war es für den Hobbyelektroniker bisher immer recht schwierig, einen einwandfreien Würfel zu konstruieren, sodass der Eigenbau auch optisch etwas hermacht. Schließlich müssen bei einem mit 5 Elementen Kantenlänge im Drahtbau schon 125 LEDs geprüft, gebogen und möglichst akkurat verlötet werden. So etwas wird schnell zur Mammutaufgabe – das nimmt die vorgestellte Lösung einem nun alles ab.
Ein paar Nachteile zeigen sich dabei allerdings auch. Sofort offensichtlich ist die deutlich stärkere Verstrebung zwischen den LEDs, die je nach Betrachtungswinkel auch Lichtpunkte ausblendet. Zum Ausgleich sitzen auf dem Leiterplattenmaterial jeweils oben und unten eine LED, die beide gleichmäßig angesteuert werden, was das Ganze etwas abmildert. Insgesamt sind also sogar doppelt so viele LEDs im Einsatz wie bei einem vergleichbaren klassischen LED-Würfel. Aber ein schlanker Drahtaufbau ist da wohl einfach transparenter.
Durch die vorgegebene Adressierung der NeoPixel, die nicht gerade die schnellste ist, werden optische Effekte nur bis zu einer gewissen Geschwindigkeit machbar und sind deshalb langsamer als bei individuellen Lösungen. Hinzu kommt der immer noch recht hohe Preis für einen Bausatz oder einzelne Slices.
Trotzdem fand ich es interessant, einen LED-Cube auf Basis eines solchen Bausatzes aufzubauen. Die Vorteile erschienen mir attraktiv genug – man stützt sich auf die vorhandene Hardware, kann sich so ganz auf die Ansteuerung des Cube konzentrieren und bei den optischen Effekten der eigenen Kreativität freien Lauf lassen. So entstand dieses Projekt.
Testaufbau
Um etwas mehr darstellen zu können, entschieden wir uns für ein Gitter mit einer Kantenlänge von 5 LEDs. Zum Umfang der ordentlich verpackten Lieferung gehörten auch Basisplatine und Abstandhalter. Mechanisch zu konstruieren gab es also wenig, aber wir wollten die Platine für den Anschluss des Zero und der Versorgungsleitungen in einem ansehnlichen Grundkörper unterbringen (Abbildung 2). Schließlich ging es von Anfang an auch darum, das Ganze als schönes Dekorationsobjekt und kleine Informationszentrale im Wohnbereich nutzbar zu machen.
Abbildung 2: Der Unterboden mit der Grundplatine des LED-Würfels und einem Raspberry Pi Zero als zentrale Steuereinheit.
Die im Fuß unseres Eigenbaus enthaltene Platine passt zu den LED-Elementen, stellt Anschlüsse für die Stromversorgung bereit, und es lässt sich ein Raspberry Pi Zero W einstecken (auch der neue Zero 2 funktioniert). Damit sie durch den Holzfuß ragen, haben wir die unteren vier Verbinder durch solche mit längerem Gewinde ersetzt. Die metallischen Abstandhalter im Cube schaffen gleichzeitig die Daten- und Stromversorgung zwischen den einzelnen Ebenen. Außerdem ist die Platine bei uns im Gegensatz zum Original nach unten gewendet, da gilt es beim anschließenden Aufbau besonders aufzupassen.
Oft unterschätzt man den Strombedarf, wenn viele LEDs oder NeoPixel zum Einsatz kommen. Bei größeren Würfelaufbauten schnellt der Bedarf oft in höhere Regionen. So haben wir hier auch nicht über den 5-Volt-Pin des RasPi verkabelt, sondern direkt zum Netzteil, das eine gemeinsame Masse hat. Das Steckernetzteil ist bei uns ein 2-Ampere-Typ, ausreichend für die noch moderate Anzahl an Pixeln.
Jetzt muss Schritt für Schritt und sorgsam aufgebaut werden. Der 5er-Cube benötigt fünf Slices, die mit jeweils drei Abstandhaltern miteinander verbunden werden (Abbildung 3). Jedes Element bekommt eine Spannungsversorgung, der Datenausgang eines Elements wird jeweils mit dem Dateneingang des darüberliegenden Nachfolgers verbunden.
Abbildung 3: Die einzelnen Slices werden Schicht für Schicht aufeinander gestapelt. Jeweils drei Verbinder sorgen für die nötige Stabilität.
