Hochschule Düsseldorf
University of Applied Sciences
Fachbereich Elektro- & Informationstechnik
Faculty of Electrical Engineering & Information Technology

Forschungsprojekt

LED Globus

Im Rahmen des mikroelektronischen Studienprojektes des 4. Fachsemesters Elektrotechnik — Studienrichtung Mikroelektronik wurde ein LED Lichtobjekt entworfen und gebaut.

Die Arbeit ist inspiriert durch ähnliche Objekte, die als „Mira-ball“ bezeichnet werden und auf der Nutzung des POV-Effektes beruhen (engl. persistence of vision, sinngemäß „Nachbild-wirkung“ im Auge). Durch den POV-Effekt lassen sich durch synchronisierte Projektion auf bewegte Objekte statische Bilder erzeugen.  Von solchen Lichtobjekten geht eine gewisse Faszination aus, so dass sie gut als attraktive Messeobjekte einsetzbar sind. Das Objekt besteht nur aus einer einzelnen LED-Zeile mit 32 RGB-LEDs, die in Rotation versetzt, eine Kugel mit effektiv 2048 LEDs auf der Oberfläche ergibt.  Durch die schnelle Rotation tritt der mechanische Aufbau in den Hintergrund und es erscheint eine quasi frei schwebende erleuchtete Kugel.

Projektziele

Ziel war die Entwicklung, Fertigung und Programmierung von Hardware zur Projektion eines Bildes unter Nutzung des POV- Effektes auf die Oberfläche einer Kugel („LED Globus“, „Mira-ball“). Die Bildausgabe wurde mittels einer Platine realisiert zur Ansteuerung und Versorgung von 32 RGB-LEDs. Eine Bildwieder-holfrequenz zwischen 10 und 60fps (frames per second) wurde angestrebt. Kern des mechanischen Aufbaus ist ein rotierend gelagerter Bügel, der die 32 LEDs trägt.  

Der mechanische und elektrische Aufbau war so zu realisieren, dass er den Fliehkräften bei einer Rotation von 1500U/min standhält. Die Rotationsfrequenz entspricht einer Projektion mit 25Hz, was wir als flimmerfrei wahrnehmen. Die Lagerung und der Motor sollen geräuscharm sein.​​​​

​Projektergebnisse

Mechanischer Aufbau, Schaltung und Software für den Globus wurden erfolgreich realisiert (siehe Abbildungen): Als Speicher für die Bilddaten und zentrale Steuerung dient ein Mikrocon-troller der Fa. Atmel.  

Der ATMega 2560-16AU besitzt mit 256 kByte den größten Flash-Speicher der ATMega Mikrocontroller und bietet so genü-gend Speicherplatz für Programm und Bilddaten. Über einen externen Quarz lässt sich der Mikrocontroller mit 16Mhz takten und bietet somit mehr als genug Rechenleistung.  

Motor und Platine erhalten eine getrennte Spannungsversor-gung. So bleibt der Motor über ein eigenes Netzteil bequem regelbar, wodurch eine Drehzahlerfassung und -regelung entfällt. Die Platine wird über Schleifkontakte an ein 9V-Netzteil ange-schlossen. Bei äußerster Belastung des Globus fließen durch alle 96 LEDs jeweils 20 mA. Dies summiert sich zu einem Gesamt-LED-Strom von 1,92 A.

Zwei 7805 5V-Festspannungsregler  mit jeweils 1,5 A Aus-gangsstrom können die Schaltung somit versorgen. Als Eingangs-spannung benötigen die beiden Bauteile 7 V – 25 V Gleichspan-nung. Ein 9 V-Netzteil führt über Schleifkontakte die Spannung an die Regler.  

Die Ströme der LEDs dürfen nicht über den Mikrocontroller geführt werden, da 1,92 A das Bauteil thermisch zerstören würden. Es müssen also Treiber ICs die LEDs mit Strom versorgen. Um 96 LEDs (3x32 RGB LEDs) anzusteuern, kommen Latches zur Porterweiterung für den Mikrocontrollers zum Einsatz.  

Mit dem MIC5801BWM gibt es eine elegante Lösung. Der Schaltkreis kann die Schaltzustände für die 8 LEDs speichern und gleichzeitig die Ströme zur Verfügung stellen.Bei 96 LEDs kommen zwölf dieser Latch-Treiber-ICs zum Einsatz.

Die Fertigung der Platine erfolgte im Reinraumlabor der Fach-hochschule Düsseldorf. Zum Einsatz kam ein Ätzprozess mit einer minimalen Strukturbreite von 8 mil, was einer Leiterbahnenbreite von ca. 200µm entspricht. Die Platine ist beidseitig mit SMD und THT Bauelementen bestückt. Das Programm des Mikrocontrollers ist über das Atmel „AVR Studio“in C geschrieben. Es streamt eine Rektangularprojektion einer Weltkarte über 12 ICs an die LEDs, wo sie aufgrund der runden geometrischen Anordnung, wieder in Kugelform sichtbar wird. 

Natürlich musste die Grafik auf ein 32x64-Raster skaliert und in der Farbtiefe angepasst werden. Hierfür kam Adobe Photo-shop zu Einsatz. Die Hardwarefertigung erfolgte mit einer CNC-Präzisionsfräse nach Konstruktionszeichnung.

Kooperationspartner

Das Projektteam dankt der Fa. WALLRAFF Lifttechnik+Design für die Nutzung einer CNC Fräse.​