kCube - LED-Würfel einmal anders

    kCube - LED-Würfel einmal anders

    Ich möchte euch mein neuestes Projekt vorstellen: ein LED-Würfel. Machen
    wollte ich sowas schon seit ich es das erste Mal irgendwo gesehen habe.
    Ich habe es aber dann nie angefangen, weil es bei der herkömmlichen
    Bauart mit 3mm-LEDs mir zu sehr zeitaufwendig und mühselig war, die
    einzelnen LEDs kunstvoll zu verdrahten, und auch der Aufwand für die
    Ansteuerung nicht gering ist.

    Jetzt hatte ich für ein anderes Projekt einen intelligenten RGB-Ring in
    der Hand, und die alte Idee kam mir wieder in den Sinn. Zwei Stunden
    später stand das Konzept:
    - 8x8x8 RGB-LEDs
    - (fast) unsichtbare mechanische Konstruktion und Leiterbahnführung, die
    LEDs sollen "schweben"
    - einfach aufzubauen (kein Löten, es muss jedoch geklebt werden)
    - so preisgünstig wie möglich (der Gedanke ist ein open source hw/sw Kit
    für unter 200€ zu entwickeln)
    - Ansteuerung über STM32; USB/(WLAN?/(Bluetooth?); Netzbetrieb und
    Betrieb mit Lipo; Möglichkeit alternativ ein Fadecandy anzuschließen;
    Speaker, Mikrofon, Beschleunigungssensor

    Wiederum zwei Tage später waren die wichtigsten Teile bestellt: 512
    WS2812B-LEDs, einige Klarsicht-Flex-PCBs, Plexiglas-Laserteile,
    Plexiglaskleber und zwei Liter Propylenglykol (hier ist noch Glycerin
    gezeigt, das ist aber zu leitfähig).

    Nochmal eine Woche später ist bis auf die Flex-Leiterkarten und LEDs
    alles geliefert, passend als Ostergeschenk ;)

    Die anderen Bilder zeigen schon mal ganz grob, wie das ungefähr aussehen
    soll. Die Leiterbahnen sind nicht mitmodelliert, sie sind aber nur 0.2mm
    dick und silberbeschichtet. Ganz darauf verzichten geht ja leider
    (aktuell?) noch nicht.

    Bin gespannt wie das später in der Realität aussieht!




    tatus1969 schrieb:

    Die Leiterbahnen sind nicht mitmodelliert, sie sind aber nur 0.2mm
    dick und silberbeschichtet.

    Na da bin ich aber gespannt. bei über 500x WS2812 fließen bis zu 30 Ampere. das Einzige, was da vermutlich leuchten wird, sind deine Leiterzüge :evil:
    An jeder LED sollte möglichst noch ein 100n KerKo sitzen. Und mindestens an jeder Ebene ein Elko mit ca. 1000µ 6,3V.
    Für die Jüngeren: Led Zeppelin ist KEIN beleuchtetes Luftschiff! :D

    Superluminal schrieb:

    Na da bin ich aber gespannt. bei über 500x WS2812 fließen bis zu 30 Ampere. das Einzige, was da vermutlich leuchten wird, sind deine Leiterzüge :evil:
    An jeder LED sollte möglichst noch ein 100n KerKo sitzen. Und mindestens an jeder Ebene ein Elko mit ca. 1000µ 6,3V.

    Bin auch gespannt :) Die 0.2mm beziehen sich immer nur auf eine "Strebe" aus 8 LEDs, die 0.4A gehen da ohne nennenswerten Spannungsabfall durch. Die Zuleitung für eine ganze Ebene ist 0.8mm breit und muss 3.2A verkraften. Es hat jede Ebene 8x1uF MLCC auf der Hinterseite, je einer pro Strebe. Das ist in einer der Renderings zu sehen. Die Steuerung bekommt weitere low ESR Elkos falls nötig. Die Stromaufnahme muss softwareseitig begrenzt werden, die Stromversorgung will ich auf 10A auslegen. Ich denke, das wird auch dann mehr als hell genug ;) Bei diesem Würfel wird man definitiv nicht den ganzen Raum abdunkeln müssen, damit man was erkennen kann.
    Das klingt nach einem Plan. Ich dachte schon, hier hat der Designer über den Elektroniker gesiegt ;)
    Ich würde die Stromzuführung baumförmig gestalten. Je Ebene die 8'er Stränge E förmig einspeisen und die Ebenen ebenfalls an einem Punkt einspeisen. Dann als Lauflicht einen Punkt durchjagen als ersten Funktionstest. Per Software kann man die Helligkeit ebenfalls noch runternehmen. Das wird auf alle Fälle notwendig sein. KerKos u.U. auch Elkos in den Ebenen werden aber sicherlich notwendig sein, da das Dimmen per PWM geschieht. Ich weiß jetzt nicht, wie synchron die Pixel schalten, aber die Impulslast ist schon da.
    Ich habe bisher Boards mit maximal 18x WS2812 laufen. Versorgung StepUp aus einer LiPo Zelle, StepUp ist mit 2A Dauerstrom im DB angegeben u. 4A soll er wohl abschalten oder gelegentlich auch abbrennen. Die Speicherdrossel hat 2,4A Sättigungsstrom, vor und nach dem StepUp ist ein 22µ KerKo, Der µC (Tiny85) hat auch nochmal 100n u. 22µ KerKo und jede der 18X WS2812 auf der Rückseite einen 100n KerKo.
    Bei Verwendung der Neopixel Lib lautet der Befehl:

    Quellcode

    1. strip.setBrightness(50);
    der Werteumfang ist wohl 0-255.
    Bei der FastLED Lib lautet der Befehl:

    Quellcode

    1. #define BRIGHTNESS 25
    Bei der bin ich mir aus dem Hut jetzt nicht sicher, ob 0-100%, oder ebenfalls byte.
    Na ich bin jedenfalls auf das Ergebnis gespannt.
    Es wird sicherlich gut aussehen, aber wenn es Probleme geben sollte, dann ist das eine echt heftige Investitionsruine :saint:
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    tatus1969 schrieb:

    einige Klarsicht-Flex-PCBs, Plexiglas-Laserteile,
    Plexiglaskleber und zwei Liter Propylenglykol (hier ist noch Glycerin
    gezeigt, das ist aber zu leitfähig).


    Ich lese da eher raus, das er das Ganze transparent machen will und die Brühe als Flüssigkühlung, bzw. auch wegen der Lichtbrechung benutzen will.

    Erst wenn er mit dem jetzigen Konzept Schiffbruch erleidet, ist Diffusen der Plan B :evil:
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    Mit Strom kenn ich mich aus, das letzte Projekt war ein 2000A-MOSFET-Schalter: keenlab.de/index.php/portfolio-item/kweld/ 8)

    Die Pixel schalten chaotisch, weil jede ihren eigenen RC-Ozsillator hat. Ich hatte mir auch Sorgen gemacht, dass ich mit Kerkos zu sparsam bin (gibt's leider noch nicht aus Glas), und dann als Test alle (!) hiervon abgelötet. Und es läuft immer noch, ich habe aber 1.5V Spannungsspitzen gemessen. Wenn ich dann nur einen einzigen 1u-MLCC an die "Wurzel" löte, dann reduziert das den Ripple bereits auf 250mV. Und ich habe im Würfel nur 8 anstatt 24 LEDs pro Ast.



    Die transparente Flex-Leiterplatte, die eine Ebene der LEDs tragen soll sieht so aus (natürlich nicht so grün ;) ) :


    Ich werde das erst einmal mit einem Fadecandy betreiben, die Steuerplatine habe ich nämlich noch nicht angefangen. Kanns gar nicht abwarten, heute sind die LEDs gekommen aber das Flex-PCB aus China dauert noch mehr als eine Woche. Die stellen das interessanterweise aus PET her, das ist vom Brechungsindex sehr nah an Plexiglas und meiner "Brühe". Apropos, @Superluminal, genau dafür ist das. Sonst wirds nicht wirklich durchsichtig. Das Zeug ist aber ungiftig, sogar als Lebensmittelzusatz zugelassen. War nicht so einfach etwas zu finden das keine Sauerei ist, transparent, ähnlicher Brechungsindex, nichtleitend, UND bezahlbar.

    Hab noch nicht weit genug recherchiert, gibt's die NeoPixel-Lib für STM32? Ich brauche für meine Ideen ein wenig mehr Rechenleistung als z.B. ein Arduino hergibt. Und mit der Plattform kenne ich mich am besten aus.

    Der 10/25A - 5V - Spannungsregler macht mir auch keine Sorgen, für meinen Punktschweißer habe ich schon einen Prototypen für einen Ladecontroller für Supercaps entwickelt. Der schafft 60A Dauerstrom und 80A kurrzeitig.

    Diffusen muss ich die Pixel nicht denke ich, weil sie auch so schon fast eine Halbkugel schaffen. Das weiße Trägermaterial hat innen einen um 45° geneigten Ring, der das Licht sehr gut reflektiert. Natürlich nimmt die Helligkeit mit steigendem Winkel ab, aber ich denke das wird so klappen. Und ich habe schon ein Redesign in der Hinterhand, welches APA102-2020 verwenden soll. Die sind nur 2x2mm groß und haben ein transparentes und leicht geriffeltes Gehäuse.

    Daumen drücken bitte :rolleyes:
    Dein Projekt werde ich ganz sicher mitverfolgen, auch wenn ich es nicht nachbauen werde :)
    Leiterplatten aus PET, davon habe ich noch nicht gehört. das es welche aus KAPTON und auch TEFLON gibt, ja aber PET?
    Das schrumpelt beim Löten doch weg? ?(
    Es gibt ein Speziallot aus Zinn, Blei und Wismut, das schon bei 130°C rum schmilzt. Das wirst du wohl brauchen.
    Ich würde vermutlich bei der Stromversorgung einen anderen Weg gehen. In etwa pro Ebene einen kleinen 5V Schaltregler. 2-3A sind kein Hexenwerk und als IC mit Schalter verfügbar und das auch in "freundlichen Bauformen" :D
    Masse wird verbunden und die 5V jeweils segmentweise. Alle Schaltregler bekommen 24V Input, da sieht der Stromfluss dann auch etwas freundlicher aus.
    Von Stage zu Stage dann ca. 330 Ohm in die Datenleitung, als Ausgangsschutz.
    Falls ein Regler aussteigt oder eine Lötstelle nicht passt, dann würden beim nächsten Spannungslosen Pixel die Substratdioden leiten und mindestens den spannungslosen Pixel grillen. Eventuell reißt es den letzten Gespeisten ebenfalls mit ins Nirvana, weil der Ausgang aufgibt.
    WS2812 gibt es übrigens ebenfalls als Minivariante mit 3,5x 3,5mm im PLCC4 Gehäuse. Für einen moderaten Preis sogar von einem deutschen Distri, der auch an privat verkauft.
    Teste die Ebenen einzeln ausgiebig und mit jeder Etage erneut. Wenn da mittendrin was faul ist, dann hast du einen ganz schlechten Tag :evil:
    tme.eu/de/details/ws2812b-mini…ioden-smd-bunt/worldsemi/
    Mit ST32 habe ich noch nichts gemacht. Bisher nur Attiny und Megas. Google hat aber auf für den STM32 Treffer ausgespuckt. Wie gut die Libs dafür sind, vermag ich nicht zu sagen.

    Wo bekommt man das Propylenglycol? Mir würden 100ml völlig ausreichen. Ich will mal versuchen, ob man damit abgesetzte Lotpaste wieder aufrühren kann. Mit Isopropanol bzw. selbst angerührtem Flussmittel aus Kolophonium und ISO funktioniert das nicht. ISO ist zu dünnflüssig, so das sich die Dispersion schnell entmischt und das Kolophonium sorgt bei größeren SMD Gehäusen für ein Kochen und Blubbern, so das das Geäuse nicht ruhig auf dem geschmolzenen Lot liegen bleibt.
    Ich habe gehört, das PEG gehen soll. Hängt wohl auch noch von der Moleküllänge ab.
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    Ich werde das mit genau so einer Paste löten (ChipQuik SMDLTLFP50T3), die schmilzt bei 138°C und ist bleifrei. Laut Datenblatt von dem Substrat soll es für 204°C im Ofen aushalten, ohne zu deformieren. *cross fingers*

    "POL" Schaltregler würden sicher alles vereinfachen, aber damit lassen sich zwei meiner Ziele schwer erreichen. 1) Durchsicht, 2) kostengünstig. Wenn's gut ankommt dann möchte ich das System als Kit vertreiben, mal schauen. Vielleicht baust Du's ja dann doch noch ;)

    Ich glaube es kommt aus den ganzen Bildern nicht klar raus. Jede einzelne Etage hat ihre eigene (Flex) Leitung zum Controller, wird einzeln versorgt und hat einen eigenen Datenanschluss. Die 330 Ohm pro Kanal baue ich auf jeden Fall auch auf dem Controller ein.

    Danke für den WS2812-3535, kannte ich auch noch nicht. Die hätten auf jeden Fall den Vorteil, mit dem gleichen Interface zu arbeiten. Eigentlich will ich für die Serie auf APA102-2020 wechseln weil die unschlagbar klein sind, aber die haben leider eine völlig andere Schnittstelle.

    PEG gibt's überall, auch bei ebay (da habe ich es auch her, ggf nach Propandiol suchen, je nach Menge 5-10€ / Liter). Das ist das Zeug was die E-Raucher verdampfen. Bei Lotpaste kaufe ich nur noch neu, ist viel mehr Ärger wenn das Board versaut ist, als alte Paste wegwerfen zu müssen. Es gibt jetzt auch welche, die "thermally stable" sein soll und gekühlt wesentlich länger halten soll.

    dottoreD schrieb:

    PEG = PolyEthylenGlycol

    Wozu das sein soll, ist mir nur noch nicht klar geworden


    Der Brechungsindex von PEG ist dem von Plexiglas sehr ähnlich. Der mit PEG blasenfrei gefüllte Würfel sieht dann aus, wie vergossen. Außerdem fungiert das PEG als Kühlmittel. Bei über 500x WS2812 werden ja doch einige Watt an Leistung im Innern des Würfels umgesetzt.
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    Schluck, ein Aquarium. Sorry PEGarium :D

    Alternativ wäre noch ein dünnflüssiges PDMS (Siloxan) möglich. Leitet definitiv nicht, und ist nicht hygroskopisch. Ist vermulich aber teurer.

    Soll zwischen Flussigkeitsoberfläche und Deckel ein Luftspalt bleiben? Oder wie hast du gedacht, das blasenlos zu bekommen?

    dottoreD schrieb:

    Soll zwischen Flussigkeitsoberfläche und Deckel ein Luftspalt bleiben? Oder wie hast du gedacht, das blasenlos zu bekommen?


    Auch wenn das nicht meine Baustelle ist, aber das Selbe ist mir auch schon durch den Kopf gegangen. Wenn die Suppe warm wird, dann macht er "dicke Backen" und irgendwo sifft es raus <X
    Ich würde entsprechend dickes Plexi nehmen und eine eine Stufe in die Wände fräsen lassen, so das es innen tiefer ist und außen ein Rand stehen bleibt. Der Deckel dann analog außen eine Stufe weggenommen, so das der Deckel mit Führung reingleitet.
    Am besten wäre dann noch eine eingefräste Nut für einen O-Ring. Jeweils zur Hälfte in Boden und Deckel mit ca. einem zehntel Untermaß, so das sich der O-Ring zum Dichten auch plattdrückt. Die Fräskanten am besten noch flammpolieren, damit die Oberfläche wieder glänzt und man nichts von der Bearbeitung sieht.
    Du kannst jetzt argumentieren, das ein Viton O-Ring das Ganze verschandelt, weil man ihn sieht. Wenn du nochmal ungefähr die selbe Summe, wie für den Plexiwürfel anlegst, es gibt auch transparente O-Ringe aus Silicon oder einem Fluorpolymer. Transparentes, flexibles TEFLON. Hatte in der Halbleiterei mit ca. einem Dutzend verschiednen O-Ringmaterialien zu tun.
    Was auch noch interessant wäre, ob PEG langfristig das Plexi angreift. Nicht, das das aufquillt oder blind wird...
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    Ja so langsam kann ich anfangen, über einen Bachelor in Chemie nachzudenken ;) PDMS kannte ich auch noch nicht. Sehr interessant, ist aber etwa doppelt so teuer wie es aussieht. Das PEG ist heute gekommen, ich werde mal schauen wie sich das unter elektrischer Spannung verhält (Test bei 80V). Außerdem sind die Abdeckungen der LEDs ja aus Silikon, keine Ahnung wie die beiden Stoffe miteinander klarkommen. Im schlimmsten Fall kann ich das Ganze mit Plastik-70 lackieren.

    Das Thema Wärmeausdehnung habe ich mir jetzt auch einmal näher angeschaut. Über PEG habe ich nichts gefunden, aber es gibt ein Kühlmittel auf dessen Basis, Pekasol-L. Das hat einen kubischen Ausdehnungskoeff von 850e-6/K. Plexiglas hat umgerechnet 260e-6/K wenn ich richtig gerechnet habe. Der Würfel hat ein Volumen von 1.25l. Bei einer angenommenen Erwärmung von 30K hätte ich also ein "überschüssiges" Volumen von 1.25l * (850e-6/K - 260e-6/K) * 30K = 22ml, oder relativ betrachtet 1.77%. Ich denke, das werden Kleber und das elastische Plexi ausgleichen können, sofern ich für gute Dichtigkeit sorge.

    Der Plan ist, die Seitenwände und den Deckel mit Acrylkleber (Acrifix) zu verbinden. Das ganze wird dann kopfunter hingestellt. Dann wird die LED-Konstruktion hineingelassen. Dann wird der Boden eingelassen und eingeklebt, entweder auch mit Acrifix oder vielleicht besser mit Silikon. Der Boden hat seitlich einen Schlitz für die Flexleitungen, die natürlich auch sauber abgedichtet werden müssen.

    Außerdem hat der Boden ein 12mm-Loch. Dort soll die Flüssigkeit eingelassen werden. Die Blasenfreiheit wird sicher eine Herausforderung, wahrscheinlich muss man auch einige Schritte vorher bereits etwas einfüllen damit die LED-Konstruktion keine Blasen fängt. Zuletzt kommt in das Loch eine schwarze M12-Schraubdichtung mit O-Ring. Dabei macht es sicher Sinn, es etwas überlaufen zu lassen. Weil der Boden auch schwarz lackiert ist, hoffe ich dass die Dichkappe sich gut in das Bild einfügt.

    Bisher alles Theorie, aber ich möchte diese oder nächste Woche ein erstes Video darüber machen :)

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    Ich bin einem chinesischen Fälscher auf den Leim gegangen, und das obwohl ich eine Probe von der Rolle genommen und eine Echtheitsprüfung gemacht habe (das Fenster muss aus Silikon sein, Fälschungen sind meistens Glas). Der Verkäufer hat doch tatsächlich 150 Originalteile genommen und mit Tesa daran weitere 450 Fakes angeklebt. Wenn das eine in einen Bestückungsautomaten gefüttert hätte, wäre es wahrscheinlich nicht einmal aufgefallen.

    Das Beste war jedoch die Antwort des Verkäufers (Shenzhen Shijibaike Electronics Co., Ltd.), nach meiner Rückmeldung, dass ich teilweise gefälschte Teile in einem eindeutigen Betrugsversuch erhalten hatte und dazu geschrieben hatte, dass sie nicht funktionieren (sie tun es elektrisch, aber weder Farbwiedergabe, Helligkeit noch Aussehen stimmen):
    "[...] We understand but how does it not work? there is no reaction at all? We have sent those parts to many different clients last month mostly the same time as per your order. But the other feedback is good. We agree to send you another new 450pcs original part [...]"

    Sie scheinen weder zu realisieren, dass sie damit zugeben diese Art von Betrug schon oft begangen zu haben, noch dass das überhaupt Betrug ist.

    Ich beschwere mich nicht, ich habe das auf die eine oder andere Weise sowieso erwartet. Was mich trotzdem überrascht ist der Erfindungsreichtum, den sie bei der Verarschung ihrer Kunden entwickeln.

    Wie auch immer, ich werde jetzt auf weitere Teile warten müssen bevor ich weitermachen kann. Die Originalteile waren gut, um zwei Board zu löten. Wenn es in Glycerin eingetaucht wird (zweites Bild, das Flexboard ist mit Plastik 70 eingesprüht) ist der Effekt sogar noch besser als ich erhofft hatte. Die Flüssigkeit erzeugt ein tolles Leuchten um die LEDs, leider kann das zweite Bild das nicht annähernd wiedergeben. Wenn die LEDs aus sind dann sieht man Flexboard und Leiterbahnen deutlich, doch das verschwindet für das Auge fast vollständig sobald sie lechten.

    Elektrisch funktioniert das so gut wie erwartet. Bei guter Stützung am FCC-Stecker messe ich bei voller Helligkeit weniger als 200 mV (Peak) an Masse am entferntesten Ende. Ich kann diese Topologie definitiv empfehlen, die Stützung von jeder einzelnen LED ist definitiv nicht notwendig. Die Dauerstromgrenze der Platine beträgt 1.2A in freier Luft (der heißeste Punkt ist die Hauptversorgungsleitung mit 60°C). Die einzelnen Zweige können noch dünner gemacht werden, 0.1 mm werden genügen (jetzt sinds 0.2 mm). Das entspricht einer Intensität von 200/200/200 (R/G/B).

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    Welchen Typ LED hast du jetzt genau als Fälschung bekommen?
    Wir haben ja über WS2812B normal, in kleiner Version und APAs disktiert... ?(
    Wenn du eine verlässliche Quelle für die stinknormalen (großen) WS2812B brauchst, ich habe nun schon das 3x bei BTF-Lightning über Aliexpress bestellt.
    de.aliexpress.com/item/10-1000…=a2g0s.9042311.0.0.Mk5o4G
    Preiswert, sehr schnelle Lieferung, meist etwas über 14 Tage. Gurtware nochmals in einer Antistatiktüte. Ich nehma da immer den 200'er Posten, da ich mit 500 schon über die Zollfreigrenze komme. Wenn du schnell große Mengen brauchst, dann bestelle bei TME, die haben die Dinger auch und dann sind sie schon in Deutschland und die sind ein sehr guter Distributor. Bei Standardchips bekomme ich nicht irgendwelche Generika, die gerade am billigsten am Markt verfügbar sind, sondern ich kann explizit entscheiden, ob ich ein IC von Ti, ON, oder sonstwem haben will - und genau das bekomme ich dann auch geliefert.
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    Superluminal schrieb:


    Welchen Typ LED hast du jetzt genau als Fälschung bekommen?

    WS2812B-5050. Ich habe zum Thema Fälschungen eine Weile gegoogelt, denn mir ist wichtig, nur original WorldSemi Material zu verbauen. Die 450 an den originalen angehängt hatten eine komplette andere Farbe des Sichtfensters, und dieses war aus Glas anstatt Silikon. Ich mache morgen mal eine Vergleichsaufnahme unter dem Mikroskop.

    Superluminal schrieb:


    Danke, da steht als Hersteller "Epistar", das klingt zumindest vertrauenserweckend. Wie ist Deine Erfahrung zur Qualität?

    Ich habe mittlerweile an mehreren Stellen gelesen, dass die Qualität von Worldsemi tatsächlich nicht so berauschend sein soll, und dass es Sinn macht stattdessen den richtigen Klon zu nehmen: hackaday.com/2017/01/25/ws2812…rk-better-than-originals/


    Superluminal schrieb:


    bestelle bei TME

    Hatte ich mittlerweile auch gefunden, werde ich in Zukunft auch nutzen. Das ist gar nicht so einfach per Google, weil man mit Ergebnissen zu den fertigen Strips zugeschüttet wird.

    Neu

    Von ca 100 bis jetzt verbauten WS2812B war eine dahingehend defekt, das eine Farbe (blau oder grün) nicht ging.
    Ein paar habe ich fälschlicherweise gewechselt, weil ich ein Hex-File mit einem Zwischenstand zum Test von 3 LEDs geflasht habe und mich dann wurderte, das ab LED 3 ums Verrecken nichts mehr ging :rolleyes:
    Aber selbst bei der einen kann ich nicht ausschließen, das ich die mit Heißluft beim Löten vieleicht überhitzt habe.
    Es haben jedenfalls alle die selbe Helligkeit und Farbe. Wobei ich die Dinger nur auf "Sparflamme" fahre. Zum einen sind mir die volle Pulle viel zu hell und zweitens habe ich auf den Boards einen kleinen StepUp von einer LiPo laufen. Und ich will zum einen Akkulaufzeit und zum anderen auch nicht den StepUp schrotten ;)
    Und auf die Aussage "Epistar" bei dem Angebot würde ich nicht all zu viel geben. Papier ist in China mindestens ebenso geduldig, wie bei uns :P
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