Wort-Wecker Testboard
Auf der Suche nach Möglichkeiten, mit käuflich zu erwerbenden Lösungen einen kleinen Wort-Wecker zu bauen, bin ich über Module mit 8x8 RGB LEDs gestolpert. Diese Module haben eine Kantenlänge von 65 mm und mit zwei dieser Module hat man genügend LEDs für eine Wortuhr. Bleibt zu klären, ob man die Module schadlos auf der Fräse in kleinere Abschnitte zerlegen kann um die notwendige Matrix mit 10 x 11 Pixeln zu erzeugen.
Ein Modul bleibt unverändert, das zweite Modul muss sich einige Operationen gefallen lassen.
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Orange hinterlegt ist das erste Modul, das ganz bleibt. Grün hinterlegt sind die Teile des zweiten Moduls, dessen notwendigen Schnitte rechts angedeutet sind.
Die resultierende Verdrahtung der Datenleitungen ergibt sich dann folgendermaßen:
Links oben wird das Signal vom µC kommend eingespeist, verläuft 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 berücksichtigt werden muss. In weiser Voraussicht hat Manuel hier schon Vorarbeit geleistet und die Möglichkeit geschaffen, unterschiedliche Layouts zu hinterlegen.
Da ich die Grafik für 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 im Programm bzw. genauer in die Headerdatei “Layouts.h” kopiert werden muss.
Eine weitere Ableitung aus der obigen Darstellung diente mir zur Festlegung und Berechnung aller Bemaßungen für die Lage der Buchstaben auf der Front und die Abmessungen des Lichtgitters:
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Durch die festgelegte Anordnung der LEDs auf den Modulen mit annähernd gleichen Abständen 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 ausgeführt, die Abstände der LEDs oben und unten sind dann halt unterschiedlich zu denen an den Rändern 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 ursprünglich angenommen und gehofft hatte, auf zwei zusätzlichen, innenliegenden Power Planes geführt wird, sondern auf den Signallagen von LED zu LED, wurden natürlich durch die Trennungen auch die Versorgungsleitungen unterbrochen. Das führte dazu, dass quasi parallel zu den oben eingezeichneten Datenleitungen noch jeweils zwei Leitungen zur Spannungsversorgung eingebracht werden mussten, für die jeweils letzten LEDs auf den Dreierreihen auch nochmals zusätzlich einzeln.
Dass bei den Trennarbeiten mit der Fräse der eine oder andere Blockkondensator das Zeitliche gesegnet hat, hat der Funktion der Schaltung übrigens keinen Abbruch getan.
Die einzelnen Abschnitte mit LEDs habe ich zur Fixierung mit Pattex auf ein Stück HDF Platte mit den Abmessungen 11 x 10 cm geklebt.
Fertig verdrahtet und in Betrieb:
Die Verbindungen für die Daten und die Stromversorgung habe ich mit 0,5 mm durchmessendem Kupferlackdraht erledigt.
Als Antrieb dient ein Wemos D1 Clone, der über ein 3-poliges Kabel an das Testboard angeschlossen wird. Der Wemos bzw. der USB-Port übernimmt 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 über 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 müssen, sollte die OTA-Abfüllung (OTA - over the air, also Firmwareupdate über WLAN) mal schief gehen.
Der zusätzliche 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 für die Herstellung der Buchstabenfront suchen, habe ich auch für dieses hier vorgestellte Testboard Fronten erzeugt.
Der erste Ansatz bestand aus einer dünnen Plexiglas-Platte, die mit schwarzem Sprühlack überzogen wurde. Danke Andreas! :-)
In die Lackschicht wurden mit einem Gravierfräser die Buchstaben eingefräst.
Die ersten drei Reihen wurden mit jeweils anderen Fonts und in verschiedenen Tiefen gefräst. Nur die unterste Reihe ist wirklich bis auf das Plexiglas durchgefräst, so dass hier auch Licht von hinten durchfallen kann.
Leider hat sich herausgestellt, dass das Microwood mit keinem getesteten Kleber auf dem Lack hält. Spätestens bei Lagerung in der Sonne hat sich das Holz wieder gelöst.
Als zweiten Ansatz habe ich 50µ dicke, selbstklebende Kupferfolie auf ein Stück Plexiglas geklebt und versucht, die Buchstaben mit einem Gravierfräser auszufräsen.
Selbst aus größerer Entfernung sieht man schon, dass das nicht gut funktioniert hat.
Das Kupfer ist nicht sauber weggefräst 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 Fräser beiseite gedrückt wurde und so Stellen durchsichtig wurden, die eigentlich abgedeckt bleiben müssen (im Bild unten mit roten Pfeilen markiert).
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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 gefräst.
Anschließend wurden die Vertiefungen mit Harz verfüllt...
... und zum Schluss, nach Aushärtung des Harzes, verschliffen.
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 Grünstich, 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.
Tests mit weißem PLA, um durch Reflexion an den Seitenwänden möglichst viel Licht nach vorne zur Front zu bringen, sind nicht befriedigend ausgefallen, die ca. 1 mm dünnen Wände zwischen den Lichtschächten der einzelnen LEDs haben nicht ausreichend abgeschirmt, es kam immer noch zu Übersprechen.
Die seitlichen Ausschnitte am Lichtgitter dienten ursprünglich zur Verkürzung der Druckzeit, haben aber im Nachhinein prima dabei geholfen, die Front und das Lichtgitter miteinander zu verrasten. Die Front wurde nämlich auf der Rückseite formschlüssig mit 0,2 mm Übermaß ausgefräst.
Die Buchstaben wurden von der Vorderseite 0,5 mm tief gefräst, diese Vertiefung mit Harz ausgefüllt, so dass die freischwebenden Innenteile der Buchstaben A, O, R, D, usw. fixiert sind.
Von der Rückseite her wurden dann 1,4 mm der 1,6 mm dicken FR4 Platte entfernt, so dass der durch das Epoxi hervorgerufen Grünstich nicht mehr zum Tragen kommt.
Die im Foto ungleichmäßige 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 für den Holz-Wecker Einiges gelernt.
Z.B. will ich bei der nächsten FR4 Front ein Höhenprofil auf der Fräse erstellen bevor ich das Harz auftrage, die Front auf der Fräse belassen und anschließend das überschüssige Harz mit der Fräse 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 die Kupferfolie zu bannen und dann nach Altväter Sitte chemisch zu ätzen.
Erwähnenswert scheint mir, dass die beiden gleichzeitig bestellten und gelieferten Module nicht aus derselben Charge stammen. Geäußert hat sich das in ungleichen Farbstellungen der Einzel-LEDs in den Chips. Rot ist mehr oder weniger identisch im Farbton, Grün und Blau liegen aber deutlich daneben, Farben, die aus diesen beiden Bestandteilen zusammengemischt werden, erscheinen auf der Front nicht homogen.
Dass die Qualität der verbauten LEDs ebenfalls nicht vom Feinsten zu sein scheint, sei nur am Rande erwähnt, denn möglicherweise habe ich die LEDs beim Trennen mit der Fräse oder bei den Lötarbeiten vorgeschädigt. Zu meiner Entlastung diesbezüglich 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 über fehlende Weitergabe des Datensignals an die nächste LED bis zum Totalausfall aller Farben.
Zu meinem Glück waren auf dem zweiten Modul noch 10 LEDs übrig (im rechten Bild oben der grün hinterlegte Bereich), die ich als Ersatz für die ausgefallenen LEDs heranziehen konnte. Bisher - Stand 05/2024 - sind keine weiteren LEDs ausgefallen und für Erweiterungen oder Korrekturen an der Firmware meiner Wortuhren verwende ich das Kupfer-Display immer wieder gerne.
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