Photonenbanner V1.0 96x24 2304 LEDs

Hardware Kurzbeschreibung

• 2304 x 5mm LEDs
• 96 Spalten x 24 Zeilen
• 2 cm Abstand zwischen den LEDs
• 192cm x 48cm Leuchtfläche
• 204cm x 60cm x 14cm (Breite/Höhe/Tiefe)
• 6 baugleiche Pannels mit 16 Spalten x 24 Zeilen
• ~50 mA LED Strom mit 1/16 Taktung
• Bildwiederhohlfrequenz ~ 150 Hz
• 1 Mutterplatine mit 7 Steckplätzen
• 1 CPU Platine mit ATMega 644 @ 20 Mhz
• 6 Ansteuerplatinen
• 18 Zeilenverstärkerplatinen
• elektrische Leistungsaufnahme bei 5V ~30W

CPU Platine

• ATMega 644
• 20 MHz Schwingquarz
• 2 MByte SPI Flash Speicher
• MAX2323

Der 20 polige Bus, der die Ansteuerplatinen mit der CPU Platine verbindet, hat die folgende Belegung:

1. Vcc
2. Output Enable
3. D0
4. D1
5. D2
6. D3
7. D4
8. D5
9. D6
10. D7
11. GND
12. PannelSelect
13. LatchEnable0
14. LatchEnable1
15. LatchEnable2
16. ShiftCLK
17. ShiftSET
18. unbenutzt
19. Vcc
20. GND

Die 18 Latches hängen auf dem gleichen 8 Bit breiten Datenbus. Über die Leitungen LatchEnableX kann jedes der 3 Latches unabhängig voneinander programmiert werden. Zusätzlich sorgt ein UND Gatter für die Maskierung von den LatchEnableX Leitungen mit der PannelSelect Leitung. Dadurch kann jedes der 18 Latches auf dem 6 Steuerplatinen getrennt voneinander angesteuert werden. Die PannelSelect Leitung maskiert außerdem das CLK Signal der beiden Schieberegister.

Verbesserung: Die 595er Schieberegister haben ein eingebautes Latch das eigentlich nicht gebraucht wird. Die gewählte Beschaltung (RCK und SCK hängen an dem gleichen CLK Signal) und der zweistufige Aufbau des Schieberegisters macht es erforderlich das CLK Signal 2 mal auszulösen, damit das erste Bit nach dem setzen auch an dem ersten Ausgangspin anliegt.

Steuerplatine Schaltplan

Beschreibung einer Zeilenverstärkerplatine

Jede Zeilenverstärkerplatine steuert insgesamt 128 LEDs an ( = 8 Zeilen mit 16 Spalten) und jedes Pannel benötigt davon 3. Insgesamt werden also 18 Zeilenverstärkerplatinen benötigt.

• 8 x 1k Ohm Basis Vorwiderstand
• 8 x BC328-40 (PNP Transistor)
• 8 x 47 Ohm LED Vorwiderstand
• 1 x 10 poliger Wannenstecker

Verbesserung: Der 1k Ohm Vorwiderstand für den PNP Transistor ist sehr klein gewählt. Der Strom (gemessen ca. 5mA) der dort fließt trägt nicht zur Helligkeit bei, da er nicht durch die LED fließt. Der Strom sollte aber groß genug sein, damit der PNP voll durchschaltet.

Verbesserung: Der PNP Schaltet die Last an, wenn die Latches das Potential gegen GND ziehen. Ein Low Bit im Latch schaltet die LED an. Deshalb müssen die Grafikdaten von der CPU invertiert gespeichert werden. Das ist im Prinzip kein Problem, schön wäre es aber, wenn eine angeschaltete Leuchtdiode auch durch ein High Bit in der CPU repräsentiert würde. Dies wäre durch eine andere Verstärkerschaltung oder durch ein invertierendes Latch möglich.

Zeilenverstärker Schaltplan

Beschreibung Spaltenschalter

Die insgesamt 96 Spalten werden mithilfe eines (reichlich überdimensionierten) TTL kompatiblen N-FET geschaltet. Es sind 16 FETs direkt auf die 16 Spalten jedes Pannels gelötet. Über 2 8-polige Flachbandkabel sind die FETs direkt mit den 2 Schieberegistern verbunden.

• 96 x IRLZ 34N

Beschreibung Verkabelung

• 96 Spalten mit 0,8mm versilbertem Kupferdraht
• 144 Zeilen mit 0,6mm versilbertem Kupferdraht
• 6 x gemeinsame Masse 1mm versilberter Kupferdraht
• 18 Zeilenleitungen Flachbandkabel 8-polig
• 12 Spaltenleitungen Flachbandkabel 8-polig
• Insgesamt wurden ca. 30m Flachbandkabel und 100m versilberter Kupferdraht verbaut.

LED Matrix Schaltplan

1/6 Prototyp "Protobanner"

Um die Ansteuerelektronik aber auch die Verdrahtungstechnik und die Bohrtechnik für die LEDs zu testen wurde ein Prototyp gebaut der vom Konzept her exakt dem Photonenbanner entspricht. Insgesamt wurden 384 Löcher in ein Stück Pappelleimholz gebohrt, mit LEDs bestückt und eine Ansteuerplatine gebaut.

Das Ergebnis dieses Prototypen:

Das Bohren mit der Handbohrmaschine hat deutlich länger gedauert als gedacht. Es ist extrem schwierig alle Löcher mit dem gleichen Winkel zu bohren.

Die Produktionsunterschiede bei den verwendeten LEDs führen zu unterschiedlichen Farbtemperaturen. Diese unterschiedliche Farbe und der Einbauwinkel machen sich sehr negativ als unregelmäßiges Muster des Gesamtbildes bemerkbar.

Auch das Löten der LEDs hat sich als Zeitaufwendiger herausgestellt als anfänglich gedacht. Das Konzept der "fliegenden" Verdrahtung auf 2 Ebenen ist zwar zeitaufwendig, es hat sich aber als gutes Konzept herausgestellt. Die Verdrahtung übersteht Bewegungen ohne das Lötstellen brechen oder Drähte reißen.

Das Pappelholz als Trägermatterial für die LEDs ist vergleichsweise einfach zu verarbeiten, aber die mechanische Stabilität reicht nicht aus für ein Produkt das mobil sein soll. Außerdem fängt sich das Holz mit der Zeit an zu biegen.

Die Ansteuerelektronik hat den Test im Protobanner bestanden und wurde unverändert im Photonenbanner umgesetzt.