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Praktische Elektronik
Würfel mit Leuchtdioden
zur 3-D-Darstellung von Mustern
HERMANN NIEDER- DL6PH I
Körper und räumliche Figuren elektronisch nachzubilden gelingt bei­
spielsweise durch das Aufleuchtenlassen von entsprechend angeord­
neten LEDs. Das im Beitrag gezeigte 3-D-Modell mit 27 gelben Leucht­
dioden lässt sich durch einen Mikrocontroller ansteuern. Die Schaltung
selbst ist nahezu beliebig erweiterbar.
3-D ist die Abkürzung für dreidimensional.
In neuester Zeit werden Filme in 3-D-Dar­
stellung immer populärer. Die räumliche
Wahrnehmung beruht bei ihnen darauf,
dass zwei ebene (zweidimensionale) Bil­
der mit leicht unterschiedlichen Inhalten
gegebenenfalls unter Zuhilfenahme einer
speziellen Brille die Netzhäute der Augen
erreichen. Das Gehirn setzt die einzelnen
Bilder zu einem Bild mit räumlicher Tiefe
zusammen. Gleichfalls kann die perspek­
tivische Darstellung in zweidimensionalen
Bildern, z.B. in der Malerei, einen 3-D­
Effekt hervorrufen.
Ich widme mich hier jedoch der stilisierten
Variante, die räumliche Figuren durch auf­
leuchtende LEDs darstellt. Die Leuchtdio­
den sind dabei als Würfel in einer Matrix
verschaltet und lassen sich getrennt an­
steuern. Hin und wieder sieht man so et­
was als Kunstwerke oder Werbeträger.
Doch die dann realisierten 3-D-Modelle
umfassen teilweise einige Hundert LEDs.
In der Haupthalle des Züricher Haupt­
bahnhofs hing zumindest im August 2012
noch ein aus 25 000 Leuchtkugeln mit je
zwölf RBG-LEDs bestehendes 3-D-Dis­
play, das 5 m x 5 m x 1 m maß und 3,3 t
wog. Das NOVA 3D LED Display [l] wur­
de zum 150. Jahrestag der Gründung der
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Eidgenössischen Technischen Hochschule
Zürich [2] aufgebaut und liefert beeindru­
ckende Bewegtbilder.
Doch so weit wollen wir hier nicht gehen.
Um Ihnen die 3-D-Darstellung mit LEDs
näherzubringen, verwende ich ein wesent­
lich kleineres Modell mit 27 LEDs, das
Bild 1:
Lichtspiele an einem
3-D-Modell mit
27 Leuchtdioden;
der LED-Würfel und
die Ansteuerung
lassen sich prinzipiell
beliebig erweitern.
außerdem nur einfarbig ist. Doch mit die­
ser Miniaturversion lassen sich zumindest
schon Bewegungsrichtungen kennzeich­
nen. Wer Spaß an der Technik gewonnen
hat, kann auf diesem Beitrag basierend
großvolumige Konstruktionen und even­
tuell sogar RGB-LEDs als Lichtquellen
einsetzen.
• 3-D-Modell mit 27 Leuchtdioden
Ideengeber war die schon in [3] verwen­
dete Anzeige- und Controllerplatine des
in [4] vorgestellten Bausatzes. Sie ist mit
12 x 10 roten LEDs bestückt, die in einer
zweidimensionalen Matrix angeordnet sind.
9 x 3 LEDs davon, also 3 x 3 für jede
der drei vorgesehenen Ebenen, dienten in
der ersten Phase für die Entwicklung der
Firmware.
Die 27 Leuchtdioden des 3-D-Modells
lassen sich in ähnlicher Weise wie diejeni­
gen auf der Ping-Pong-Platine z. B. durch
einen ATmega8, aber auch durch einen
ATtiny2313 bzw. seine Vorgängerversion
AT90S2313 ansteuern. Zum zuletzt ge­
nannten Controller wurde eine Beitrags­
reihe in [5] veröffentlicht.
Die Schaltung in Bild 3 basiert auf der
Schaltung der Ping-Pong-Platine. Die An­
zahl der LEDs wurde jedoch von 120 auf
27 reduziert und die LEDs in drei Ebenen
angeordnet. Die Ansteuerung der Katoden
der übereinanderliegenden LEDs mittels
zweier 74HC4094 übernahm ich.
Am besten sind die durch einen Mikro­
controller mit den 27 Leuchtdioden her­
vorgerufenen Lichteffekte in einem etwas
abgedunkelten oder vollständig dunklen
Raum zu sehen. Der Controller schaltet
die einzelnen Leuchtdioden durch das ver­
wendete Multiplexverfahren jeweils nur
ganz kurz ein. Dementsprechend gering ist
auch die scheinbare Helligkeit. Sie lässt
sich durch Verkleinern der Vorwiderstände
erhöhen. Zu beachten sind dabei die maxi­
mal vom Controller an den Ports abgeh­
baren Stromstärken.
Finden wie in Bild 3 sogenannte Low­
Current-LEDs mit einem Flussstrom von
2 mA Verwendung, sind die Vorwider­
stände z.B. mit 1,5 kQ zu bemessen. Al­
ternativ können die üblichen Leuchtdioden
mit 20 mA Flussstrom zum Einsatz kom­
men, wobei dann Vorwiderstände z.B. mit
150 Q zu wählen sind.
• Multiplexansteuerung
Die Verdrahtung der 27 Leuchtdioden er­
folgt gemäß Bild 2. Die Anodenanschlüsse
der jeweils in einer Ebene liegenden neun
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Bild 2: Anordnung und Zusammenschaltung
der 27 Leuchtdioden für das in Bild 1
zu sehende 3-D-Modell