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Wort-Wecker Testboard

Auf der Suche nach Möglichkeiten, mit kĂ€uflich zu erwerbenden Lösungen einen kleinen Wort-Wecker zu bauen, bin ich ĂŒber Module mit 8x8 RGB LEDs gestolpert. Diese Module haben eine KantenlĂ€nge von 65 mm und mit zwei dieser Module hat man genĂŒgend LEDs fĂŒr eine Wortuhr. Bleibt zu klĂ€ren, ob man die Module schadlos auf der FrĂ€se in kleinere Abschnitte zerlegen kann um die notwendige Matrix mit 10 x 11 Pixeln zu erzeugen.

Ein Modul bleibt unverÀndert, das zweite Modul muss sich einige Operationen gefallen lassen.

WordClock 11 Layout         (Click auf das Bild fĂŒr grĂ¶ĂŸere Darstellung)

Orange hinterlegt ist das erste Modul, das ganz bleibt. GrĂŒn hinterlegt sind die Teile des zweiten Moduls, dessen notwendigen Schnitte rechts angedeutet sind.

Die resultierende Verdrahtung der Datenleitungen ergibt sich dann folgendermaßen:

WordClock 11 Datenpfad

Links oben wird das Signal vom ”C kommend eingespeist, verlÀuft horizontal immer von links nach rechts, von oben nach unten auf dem kompletten Modul, dann den Linien und der Nummerierung folgend bis zur LED 117 oben in der Mitte.

Die vier LEDs am oberen Rand dienen der alternativen Darstellung der Minuten. In der Firmware der Uhr wird parametriert, ob diese vier LEDs oder die vier LEDs in den Ecken verwendet werden sollen.

Die in der Grafik gezeigte Nummerierung legt schon nahe, dass diese Reihenfolge der LEDs auch im Programm der Uhr berĂŒcksichtigt werden muss. In weiser Voraussicht hat Manuel hier schon Vorarbeit geleistet und die Möglichkeit geschaffen, unterschiedliche Layouts zu hinterlegen.

Da ich die Grafik fĂŒr die Verdrahtung in Excel modelliert habe, konnte ich aus der dargestellten Nummerierung mit ein paar Formeln auch gleich den notwendigen Code ableiten, der dann nur noch an die passende Stelle kopiert werden muss.

Eine weitere Ableitung aus der obigen Darstellung diente mir zur Festlegung und Berechnung aller Bemaßungen fĂŒr die Lage der Buchstaben auf der Front und die Abmessungen des Lichtgitters:

WordClock 11 Bemaßung         (Click auf das Bild fĂŒr grĂ¶ĂŸere Darstellung)

Durch die festgelegte Anordnung der LEDs auf den Modulen mit annĂ€hernd gleichen AbstĂ€nden in horizontaler und vertikaler Richtung, ist die resultierende Darstellung der Matrix nicht quadratisch, wie das gemeinhin bei (unseren) Wortuhren der Fall ist, sondern rechteckig. Das wird an der fertigen Uhr aber nicht auffallen, denn die Front wird dennoch quadratisch ausgefĂŒhrt, die AbstĂ€nde der LEDs oben und unten sind dann halt unterschiedlich zu denen an den RĂ€ndern links und rechts.


Die oben schematisch angedeutete Verdrahtung ist leider nur ein unbedeutend geringer Teil der notwendigen Lötarbeiten. Da die Versorgungsspannung auf den Modulen nicht, wie ich ursprĂŒnglich angenommen und gehofft hatte, auf zwei zusĂ€tzlichen, innenliegenden Power Planes gefĂŒhrt wird, sondern auf den Signallagen von LED zu LED, wurden natĂŒrlich durch die Trennungen auch die Versorgungsleitungen unterbrochen. Das fĂŒhrte dazu, dass quasi parallel zu den oben eingezeichneten Datenleitungen noch jeweils zwei Leitungen zur Spannungsversorgung eingebracht werden mussten, fĂŒr die jeweils letzten LEDs auf den Dreierreihen auch nochmals zusĂ€tzlich einzeln.

Dass bei den Trennarbeiten mit der FrĂ€se der eine oder andere Blockkondensator das Zeitliche gesegnet hat, hat der Funktion der Schaltung ĂŒbrigens keinen Abbruch getan.

Die einzelnen Abschnitte mit LEDs habe ich zur Fixierung mit Pattex auf ein StĂŒck HDF Platte mit den Abmessungen 11 x 10 cm geklebt.

Grundboard

Fertig verdrahtet und in Betrieb:

Testboard in Betrieb

Die Verbindungen fĂŒr die Daten und die Stromversorgung habe ich mit 0,5 mm durchmessendem Kupferlackdraht erledigt.

Als Antrieb dient ein Wemos D1 Clone, der ĂŒber ein 3-poliges Kabel an das Testboard angeschlossen wird. Der Wemos bzw. der USB-Port ĂŒbernimmt auch die Versorgung der LEDs, was erstaunlich gut funktioniert. Vermutlich begrenzt die USB-Elektrik den Strom, denn bei voller Helligkeit der LEDs im Testbetrieb (alle LEDs an) zieht das Board ĂŒber 1 A. Das kann der USB-Port nicht liefern.


Soweit gediehen könnte eigentlich Schluss sein, denn ich war eigentlich nur auf der Suche nach einer Möglichkeit um die Firmware meiner Uhren bei Bedarf weiter zu entwickeln, ohne meine Wortuhr von der Wand nehmen zu mĂŒssen, sollte die OTA-AbfĂŒllung (OTA - over the air, also Firmwareupdate ĂŒber WLAN) mal schief gehen.

Der zusĂ€tzliche Erkenntnisgewinn, dass eine Wortuhr mit vorgefertigten Teilen (hier den 8x8 Modulen) minimal etwa 11x11 cm groß sein kann, kommt quasi umsonst hinzu.

Da wir aber bei einem anderen Projekt noch die ultimative Lösung fĂŒr die Herstellung der Buchstabenfront suchen, habe ich auch fĂŒr dieses hier vorgestellte Testboard  Fronten erzeugt.

Der erste Ansatz bestand aus einer dĂŒnnen Plexiglas-Platte, die mit schwarzem SprĂŒhlack ĂŒberzogen wurde. Danke Andreas! :-)
In die Lackschicht wurden mit einem GravierfrÀser die Buchstaben eingefrÀst.

Front in lackiertem Plexiglas

Die ersten drei Reihen wurden mit jeweils anderen Fonts und in verschiedenen Tiefen gefrÀst. Nur die unterste Reihe ist wirklich bis auf das Plexiglas durchgefrÀst, so dass hier auch Licht von hinten durchfallen kann.

Leider hat sich herausgestellt, dass das Microwood mit keinem getesteten Kleber auf dem Lack hÀlt. SpÀtestens bei Lagerung in der Sonne hat sich das Holz wieder gelöst.

Als zweiten Ansatz habe ich 50” dicke, selbstklebende Kupferfolie auf ein StĂŒck Plexiglas geklebt und versucht, die Buchstaben mit einem GravierfrĂ€ser auszufrĂ€sen.

Kupferfolie, gefrÀst

Selbst aus grĂ¶ĂŸerer Entfernung sieht man schon, dass das nicht gut funktioniert hat.

Das Kupfer ist nicht sauber weggefrĂ€st worden, sondern wurde verschmiert, es haben sich “Berge” von Kupferstaub angesammelt, die sich auch nicht wegfegen ließen. Schlimmer sind aber Stellen, wo das Kupfer vom FrĂ€ser beiseite gedrĂŒckt wurde und so Stellen durchsichtig wurden, die eigentlich abgedeckt bleiben mĂŒssen (im Bild unten mit roten Pfeilen markiert).

Text-Ausschnitt         (Click auf das Bild fĂŒr grĂ¶ĂŸere Darstellung)

Auch diese Idee ist also nicht praktikabel.

Der dritte Ansatz war FR4, also normales, einseitig mit Kupfer kaschiertes  Platinenmaterial. Mit einem V-Bit mit 0,2 mm Breite und 30° Spitzenwinkel wurden die Buchstaben 0,5 mm tief in die Kupferplattierung gefrĂ€st.

FR4 Front

FR4 Front

Anschließend wurden die Vertiefungen mit Harz verfĂŒllt...

FR4 Front mit Harz

FR4 Front mit Harz

... und zum Schluss, nach AushÀrtung des Harzes, verschliffen.

Front ĂŒberschliffen

Man sieht hier deutlich, dass auch nicht beleuchtete Buchstaben Licht von ihren Nachbarn abbekommen. Notwendige Folgerung: Der Aufbau benötigt ein sogenanntes Lichtgitter.

Ebenfalls vorhanden und auf dem Foto gut zu erkennen ist ein GrĂŒnstich, hervorgerufen durch das Epoxi-Material der Leiterplatte. Die LEDs beleuchten die Front hier mit weißem Licht.

Das Lichtgitter habe ich auf dem 3D-Drucker erstellt.

Lichtgitter aus PLA

Tests mit weißem PLA, um möglichst viel Licht nach vorne zur Front zu bringen, sind nicht befriedigend ausgefallen, die ca. 1 mm dĂŒnnen WĂ€nde zwischen den LichtschĂ€chten der einzelnen LEDs haben nicht ausreichend abgeschirmt, es kam immer noch zu Übersprechen.

Die seitlichen Ausschnitte am Lichtgitter dienten ursprĂŒnglich zur VerkĂŒrzung der Druckzeit, haben aber im Nachhinein prima dabei geholfen, die Front und das Lichtgitter miteinander zu verrasten. Die Front wurde nĂ€mlich auf der RĂŒckseite formschlĂŒssig mit 0,2 mm Übermaß ausgefrĂ€st.

RĂŒckseite der Front

Die Buchstaben wurden von der Vorderseite 0,5 mm tief gefrĂ€st, diese Vertiefung mit Harz ausgefĂŒllt, so dass die freischwebenden Innenteile der Buchstaben A, O, R, D, usw. fixiert sind.

Detail

Von der RĂŒckseite her wurden dann 1,4 mm der 1,6 mm dicken FR4 Platte entfernt, so dass der durch das Epoxi hervorgerufen GrĂŒnstich nicht mehr zum Tragen kommt.

FR4 Front fertig auf Maß gefrĂ€st

Die im Foto ungleichmĂ€ĂŸige Ausleuchtung der unteren Buchstaben ist in Natura nicht zu sehen.


Auf diese Weise ist das auf die Schnelle als Machbarkeitsstudie  zusammengezimmerte Testboard doch noch zu einer recht schnuckeligen Wortuhr im “rusted copper” Look mutiert und ich habe fĂŒr den Holz-Wecker Einiges gelernt.

Z.B. will ich bei der nĂ€chsten FR4 Front ein Höhenprofil auf der FrĂ€se erstellen bevor ich das Harz auftrage, die Front auf der FrĂ€se belassen und anschließend das ĂŒberschĂŒssige Harz mit der FrĂ€se entfernen, anstatt das, wie hier, mit Schleifpapier zu versuchen.

Parallel experimentiert Andreas noch mit Kupferfolie und dem Ansatz, die Buchstaben per Foto- oder Tonertransfer auf Kupferfolie zu bannen und dann nach AltvÀter Sitte chemisch zu Àtzen.


ErwĂ€hnenswert scheint mir, dass die beiden gleichzeitig bestellten und gelieferten Module nicht aus derselben Charge stammen. GeĂ€ußert hat sich das in ungleichen Farbstellungen der Einzel-LEDs in den Chips. Rot ist mehr oder weniger identisch im Farbton, GrĂŒn und Blau liegen aber deutlich daneben, Farben, die aus diesen beiden Bestandteilen zusammengemischt werden, erscheinen auf der Front nicht homogen.

Dass die QualitĂ€t der verbauten LEDs ebenfalls nicht vom Feinsten zu sein scheint, sei nur am Rande erwĂ€hnt, denn möglicherweise habe ich die LEDs beim Trennen mit der FrĂ€se oder bei den Lötarbeiten vorgeschĂ€digt. Zu meiner Entlastung diesbezĂŒglich kann ich aber immerhin auch eine defekte LED mitten im nicht weiter von mir bearbeiteten Feld des ersten Moduls heranziehen ;-)

Jedenfalls waren zwei LEDs von Anfang an defekt, im Betrieb sind dann insgesamt bisher acht Weitere ausgefallen. Mithin also fast 10% Ausschuss. Das Fehlerbild reicht vom Ausfall einzelner oder zweier Farbanteile ĂŒber fehlende Weitergabe des Datensignals an die nĂ€chste LED bis zum Totalausfall aller Farben.

 


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