LED-Cube
Eine LED-Cube (auch 3D-LED-Display oder LED-Kubus genannt) ist ein dreidimensionales Display, aufgebaut aus einzelnen Leuchtdioden (LEDs).
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[Verbergen]Allgemeines[Bearbeiten]
Ein gängiger LED-Cube lässt sich grundsätzlich in zwei Hauptbaugruppen zerlegen:
- Der Kubus selbst
- Die elektronische Steuerung
Der Kubus kann prinzipiell beliebig groß aufgebaut werden. Ab einer Kantenlänge von 3 (3 × 3 × 3 LEDs) ist ein LED-Cube allerdings erst richtig sinnvoll. Bei der Auswahl der Kantenlänge ist zu beachten, dass die Anzahl der LEDs und damit die Kosten, sowie der Verdrahtungsaufwand, mit der dritten Potenz ansteigt.
Hierzu Beispiele:
- Kantenlänge 3: 3 × 3 × 3 = = 27 LEDs
- Kantenlänge 5: 5 × 5 × 5 = = 125 LEDs
- Kantenlänge 8: 8 × 8 × 8 = = 512 LEDs
Die größte bekannte LED-Cube (Stand September 2009) stammt vom chinesischen Display-Hersteller Seekway und besitzt eine Kantenlänge von 16, also = 4096 LEDs. Dazu kommt, dass es sich bei dieser Cube um RGB-LEDs handelt, welche das gesamte Farbspektrum darstellen können. Laut Pressemitteilungen ist eine LED-Cube mit 48 × 48 × 48 = 110.592 LEDs geplant.
Funktionsweise[Bearbeiten]
Bei der Ansteuerung der Leuchtdioden gibt es unterschiedliche Ansätze und Methoden. Im Folgenden ist eine dieser Methoden, basierend auf einer LED-Cube mit der Kantenlänge 5, genauer beschrieben:
Die Abarbeitung und Darstellung von Animationen, sowie die Kommunikation mit einem Computer, wird von einem zentralen Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller übernommen. Dieser ist auch für die Speicherung der Animationen, meist in einem Festwertspeicher (z. B. Flash-Speicher), zuständig. Da gängige Mikrocontroller nur zwischen 15 und 25 I/O-Pins besitzen, ist es meist nicht möglich jede Leuchtdiode mit einem Ausgangspin zu verbinden. Diese Problematik wird durch den Einsatz von Zeit-Multiplexing, D-Flipflops bzw. Schieberegistern gelöst. Je nach Kantenlänge ergeben sich beim Kubus z. B. fünf Ebenen. Auf jeder Ebene sind alle Kathodendrähte miteinander verbunden. Die Anodendrähte hingegen werden mit den jeweils direkt darunter oder darüberliegenden Anodendrähten der anderen Ebenen verbunden. So ergeben sich bei einer LED-Cube mit der Kantenlänge fünf also 25 Anodenleitungen und fünf Kathodenleitungen. Um nun die Leuchtdioden auf einer Ebene ansprechen zu können, wird die zugehörige Kathodenleitung auf Masse (−) geschaltet, wobei die restlichen Kathodenleitungen von Masse (−) getrennt sind. Werden nun die Anodendrähte mit der Betriebsspannung (+) verbunden, so kann ein Muster auf der Ebene angezeigt werden.
Durch das Zeit-Multiplexing wird erreicht, dass eine Ebene nach der anderen auf Masse geschaltet wird. Jede Ebene bekommt dabei ein Fünftel der Zykluszeit, in der die 25 Leuchtdioden entweder an- oder ausgeschaltet sein können. Wird die Zykluszeit hoch genug gewählt (z. B. 300 Hz), so erkennt das menschliche Auge nicht, dass eigentlich immer nur eine Ebene leuchtet. Für den Betrachter ergibt sich ein durchgehendes, dreidimensionales Bild, in dem alle LEDs des Kubus zu leuchten scheinen.
Der Mikrocontroller muss hierfür so programmiert sein, dass jeder Ebene dieselbe Zeit zur Verfügung steht, in der die gemeinsame Kathode auf Masse liegt und die Anoden angesteuert werden können. Da der Kathodenstrom im Extremfall 25-mal so groß ist wie der Strom einer einzelnen Leuchtdiode, werden hier meist Transistoren eingesetzt. Die Anodenleitungen werden entweder direkt an Ausgangspins oder über FlipFlops gespeist. Werden beispielsweise 25 D-FlipFlops eingesetzt und diese nacheinander gesetzt bzw. rückgesetzt, kann ein einziger Ausgangspin ausreichen, um die Zustände für eine Ebene bereitzustellen.
Professionelle Cubes[Bearbeiten]
Außer der Möglichkeit, eine LED-Cube im Selbstbau individuell herzustellen, bieten einige Firmen professionelle Bausätze in unterschiedlichen Ausführungen oder auch fertig aufgebaute LED-Cubes an.
Qube Solutions[Bearbeiten]
Die deutsche Firma Qube Solutions UG vertreibt Bausätze für LED-Cubes. Die Kantenlänge der Cubes beträgt fünf, also insgesamt 125 LEDs. Bei den verwendeten Leuchtmitteln handelt es sich um einfarbige LEDs in den Farben rot, grün oder blau. Die Artikel werden, entsprechend dem Firmennamen, unter der Bezeichnung LED Qube geführt.
Die Bausätze können entweder selbst aufgebaut oder auf Anfrage fertig geliefert werden. Es werden alle benötigten Bauteile, sowie die Platinen, Software und Bauanleitung mitgeliefert. Der Arbeitsaufwand soll laut Herstellerangaben ca. 5 Stunden betragen.
Die mitgelieferte Software ist als Open Source Projekt unter der GNU GPL V3 Lizenz veröffentlicht worden und wurde in der Programmiersprache C++ mit Qt 4.5 geschrieben. Dieser ist auf der Firmeneigenen Homepage veröffentlicht. Mit der Software können Figuren erzeugt, abgespeichert, geladen und auf die Steuerung der Cube übertragen werden.
Zusätzlich bietet die Firma Qube Solutions ein Winamp-Plugin an, mit dem die LED-Cube über ein Datenkabel als Lichtorgel verwendet werden kann.
Technische Daten:
- 125 LEDs (wahlweise in rot, grün oder blau)
- Frei programmierbarer 8-Bit-Mikrocontroller der Firma Atmel mit ISP-Steckverbinder
- Speicherplatz für bis zu 1000 Figuren
- Anschluss an den Computer per RS232 (mit Adapterkabel an USB)
- Spannungsversorgung 7–12 VDC
HypnoCube[Bearbeiten]
Die Firma HynoCube, mit Sitz in den USA, verkauft Bausätze, sowie fertig aufgebaute LED-Cubes in den Größen 4 × 4 × 4 und 8 × 8 × 8. Bei den Leuchtdioden handelt es sich hier um RGB-LEDs, welche das gesamte Farbspektrum darstellen können. Der Quellcode für die Software, zur Erstellung von Figuren, ist auch hier Open Source.
Visual Cube[Bearbeiten]
Visual Cube verkauft ebenfalls Bausätze und fertig aufgebaute LED-Cubes. Die Kantenlänge beträgt sechs, also insgesamt 216 Leuchtdioden. Es werden Duo-LEDs eingesetzt, welche in zwei unterschiedlichen Farben leuchten können. Visual Cube bietet diese LEDs mit der Farbkombination grün/rot an. Eine Software für Windows-Computer zur Erstellung der Animationen und Figuren ist kostenlos auf der Visual Cube Homepage zu beziehen. Die Visualisierung von Musik wird durch ein Winamp, iTunes und den Windows Media Player 9 Plugin ermöglicht. Die Anzahl der Speicherbaren Animationen und der verwendete Mikroprozessor sind nicht bekannt. Eine Bauanleitung liegt ebenfalls im PDF-Format zum Download bereit.
Technische Daten:
- 216 Duo-LEDs (rot und grün)
- Anschluss an den Computer per USB
- Spannungsversorgung 9 VDC
Seekway[Bearbeiten]
Die chinesische Firma Seekway Ltd. produziert die bislang größten LED-Cubes überhaupt mit einer Kantenlänge von 16, also 4096 LEDs.
