Die hier vorgestellte Hardware und Komponenten sind nur Vorschläge.
Man kann alle möglichen Komponenten verbauen und die Hardware
entsprechend anpassen.
Zum Verständnis aber vielleicht noch, es gibt 2 unterschiedliche Modi für die Lampen:
• PWM mit Helligkeitssteuerung für die Lichtorgel
• Ein-/Aussignal für das Lauflicht
Lampen für die Lichtorgel
Vorteilhafterweise verwendet man 3 Farben,
i.d.R. Rot, Grün und Blau. Das gibt eine gute Farbmischung. Die
Herausforderung ist aber geeignete Lampen zu finden. Die meisten LED
Lampen (nicht nur Leuchtmittel), welche auch in verschiedenen Farben
verfügbar sind, benötigen 230V und sind nicht dimmbar. Gut eignet
sich z.B. diese 12V Lampe (€9.10 Aliexpress, Frado Official Store):
Sie ist verfügbar in verschiedenen Farben und
läuft mit 12V DC. Allerdings ist sie nicht dimmbar, dafür in einem
robusten IP65 Gehäuse. Die Lampen wurden deshalb geöffnet, die
Elektronik darin entfernt und die Kabel direkt angeschlossen.
Zuvor müssen aber Spannung und Strom vom COB
gemessen werden (COB = Chip on Board bzw. die Platte mit den
integrierten LEDs). Dabei wurde festgestellt, dass die Elektronik die
Spannung auf 20-30V erhöht und auf einen Strom von 300mA regelt. Wir
benötigen also eine 32V Spannungsquelle mit ca. 1A Leistung und
verwenden dann entsprechende Vorwiderstände.
Diese Daten wurden gemessen und entsprechende Widerstände bestimmt:
Rot: 22V, 300mA, 33 Ω, 2.0 W
Grün: 29.3V, 300mA, 9 Ω, 1 W
Blau: 29.5V, 300mA, 9 Ω, 1 W
Lampen für das Lauflicht
Da ist man relativ frei da diese nur ein- und ausgeschaltet werden. Es hängt auch etwas
davon ab, wie viele und in welchem Modus man sie betreiben möchte. Der Lightcontroller bietet ein
Lauflicht bis 8 Lampen oder ein Mix-Lauflicht bis 5 Lampen (1-2 Lampen
gleichzeitig). Auch bietet er bis 6 Lampen eine Art Aussteuerung. All diese triggern im Takt der Musik (so gut es geht).
Man kann dieselben Lampen verwenden und auch mit 32V und Vorwiderständen betreiben.
Oder dieselben Lampen aber mit unverändert mit 12V betreiben.
Oder man verwendet 230V Lampen, z.B. diese 50W Flutlichter (€4.99, Aliexpress, Wahyue Store):
Hier würde man vorteilhafterweise auch Rot,
Grün und Blau anschließen und dann den Mix-Modus einstellen
so dass es Farbmischungen gibt.
Ansteuerung der Lampen
Viele Mikrocontroller haben digitale I/O
welche im Reset Zustand als Eingänge mit internem Pull-up arbeiten. Das
bedeutet, dass zwischen dem Einschalten und der Software Initialisierung
die Eingänge kurz auf Hoch geschaltet werden. In diesem Zustand sollten
aber keine Lampen angeschaltet werden. Typischerweise verwendet man
dann einen Inverter wie z.B. den 74HCT04 (6 Inverter) oder 74HCT14 (6
Inverter-Schmitttrigger). Den HCT kann man verwenden um den Signalpegel
von 3.3V auf 5.0V anzuheben. (HTC Lo<0.8V, Hi>2.0V).
Beim RP-Pico sind im Reset Zustand die
GPIO als Eingänge mit internem Pull-down geschaltet. Somit benötigt man
keinen Inverter, aber evtl. eine Pegelanpassung (Je nach Schaltelement).
Trotzdem sollte man für ein gutes Design welches zuverlässig und
störungsfrei arbeiten soll den Reset-Pegel mit einem Pull-up bzw.
Pull-down definieren. Die Konfiguration des Light-Controllers erlaubt es
außerdem zu wählen, ob man die Lampen invertierend oder
nicht-invertierend ansteuern möchte.
Ansteuerung Lichtorgel
Um die Lampen mit PWM Anzusteuern, benötigt
man einen Schalttransistor, welcher die LED Lampen schaltet,
typischerweise ein Power-MOSFET wie z.B. der
FQP30N06-L
(32A, 60V, Gate
Threshold 2.5V). Somit könnte man den Transistor direkt mit dem 3.3V
GPIO schalten. Der Haken, diese Transistoren sind relativ teuer (€
2.25 Farnell). Kauft man diese bei Aliexpress, kosten sie €1.27 im
10er Pack. Aber auch das hat einen Haken, die sind nämlich gefälscht.
Sie halten zwar mehr als 20A, aber nur bei einer Gate Spannung >4.5V.
Es könnten also 30N06 sein (ohne -L). Diese würden bei Farnell immer noch
€1.80 kosten.
Dieses Projekt soll ja auch möglichst
günstig sein. Deshalb wurden trotzdem die gefälschten 30N06L verwendet.
Für die Pegelanpassung gibt es verschiedene Möglichkeiten wie weiter
Unten beschrieben. Z.B. eignet sich ein 4-Kanal
3.3V-5.0V Level Converter (Aliexpress, Diy-Modules Store). Das 10er Pack
kostet €1.61. somit kosten die 3 Transistoren und ein Level Converter
ca. €0.55.
Ansteuerung Lauflicht
Verwendet man Lampen mit oder ohne
Spannungsregler (12V oder 32V mit Vorwiderstand), würde man wie bei der
Lichtorgel Level Converter und Power MOSFET verwenden, aber je nach dem
unterschiedliche Spannungen (z.B. 12V statt 32V).
Verwendet man 230V Lampen, nimmt man am
Einfachsten SSR (Solid State Relay) wie z.B. diese (Aliexpress,
All-Electronics-Fife-Star Store, 4-Way-High für €3.42):
Die SSR können bis 2A schalten und sind deshalb geeignet für Lampen bis
400W. Diese können dann direkt via Schraubklemmen verdrahtet werden, vorteilhafterweise in einer separaten Box.
Möchte man sparen und dafür mehr
basteln, kann man auch Opto-Triac verwenden, wie z.B. den AQH3213 von
NAiS (Aliexpress, Shenzhen
Longsheng Electronics, 10er Pack für €1.65). Die Triacs können bis 1.2A schalten und sind deshalb geeignet für Lampen
bis 250W. Die LED des Opto-Triac muss mit mindestens 10mA
angesteuert werden. Deshalb sollte man entweder einen 47ACT04
Inverter als Treiber verwenden (bis 25mA), oder zwei 74HTC04
parallel wie im Beispiel weiter Unten. Ebenfalls im Beispiel ist ein
normaler NPN Transistor oder ein kleiner MOSFET eingezeichnet, was man
halt so in der Bastelkiste findet.
Vorsichtig ist im Umgang mit Starkstrom geboten, besonders bei selbst
gebastelten Geräten. Eine saubere Erdung aller Komponenten ist Pflicht.
Ebenso eine Hochspannungsprüfung (2kVDC wenn geerdet, 4kVDC ohne
Erdung). Kann man die Prüfung nicht machen, sollte man die Geräte
ausschließlich über einen FI-Schutzschalter betreiben (gibt's auch als Zwischenstecker von Steffen oder Brennstuhl). Oder man baut sich selber ein Prüfgerät wie hier beschrieben.
Hardware Schema Beispiele
Die folgenden Beispiele zeigen die
unterschiedlichen Möglichkeiten der LED Ansteuerung mit PWM (
Level Converter
und Inverting Driver mit 74HCT04):
Die folgenden Beispiele zeigen die
unterschiedlichen Möglichkeiten der Ansteuerung von 230VAC Lampen mit dem AQH3213 (3 Varianten nicht
Invertierend, sowie Invertierend mit dem 74HCT04):
Ganz bequem geht es auch mit dem 74HCT573.
Das
sind 8 Treiber welche 35mA treiben können (€0.63 bei Reichelt, mit dem
RasPi Pico gleich mitbestellen). Damit könnte man sogar ein
8-Kanal Lauflicht bauen und je 3 LED direkt an die Ausgänge anschließen
(Parallel und mit entsprechendem Vorwiderstand).
Und noch eine weitere Möglichkeit
Wer nur eine Lichorgel mit den oben vorgeschlagenen LED Lampen
bauen möchte, kann auch die eingebaute Elektronik etwas umbauen und als
Treiber verwenden. Wechselt man das Kabel aus gegen ein 3-Poliges, kann
der dritte Anschluss als Steuersignal für den Enable-Eingang des
Treiber-Chip verwendet werden. Vielleicht sollte man erst prüfen,
ob es sich um die baugleiche Elektronik handelt mit dem OC6702 Chip. (ich kann auch kein Chinesisch, aber google translate). Ist der Chip der Selbe,
wird Pin2 abgehoben und ein flexibles Kabel angelötet. Ist etwas
heikel aber der geübte Elektroniker kriegt das hin. Dieses Signal wird
dann mit dem GPIO vom Raspberry Pi Pico verbunden um die LED zu steuern.
Gem. Datenblatt des Chip arbeitet der Enable Eingang mit 0.8V = Low und
2.0V = High. Ich hab's getestet, es funktionierte, zumindest kurzzeitig.
Ein kurzer Wackler beim Testen schickte dann den Chip über den Jordan.
Deshalb die Empfehlung: einen 1kOhm Widerstand zwischen Chip und Kabel
löten (um den Strom zu begrenzen) und ausschließlich im fest
verdrahteten Zustand unter Spannung setzen.
Hardware Konfiguration
Die Software ist so geschrieben, dass ohne
Eingriff mittels GPIO die Lampen konfiguriert werden können.
Dabei laufen 2 Steuerungen parallel, nämlich die Lichtorgel mit 3 PWM
gesteuerten Lampen und 2-8 Zusatzlampen mit diversen Modi.
Die PWM Lampen sind an GPIO-2, -3 und -4
angeschlossen. Sie werden durch die Musik gesteuert, eine für tiefe,
eine für mittlere und eine für hohe Frequenzen. Kommt keine Musik, läuft
ein Stimmungslicht (Langsamer kontinuierlicher Farbwechsel).
GPIO-5 ist fest für die Polaität der Signale bestimmt (offen = nicht invertiert, mit Pull-Down = invertiert).
Die Lauflichter sind an GPIO-14 bis -21
angeschlossen und können somit bis 8 Lampen umfassen. Dabei liefert
jeweils nach der letzten Lampe ein Widerstand am GPIO den invertierten
Spannungspegel so dass die Software die Anzahl Lampen erkennt. Sind es
weniger als 8 Lampen, bestimmen die freien GPIO die weiteren Modi.
GPIO-0 und -1 ist für den Debugger reserviert
(bräuchte es nicht unbedingt, wird aber oft für die Ausgabe von Daten
verwendet). GPIO-6 bis -13 sind reserviert um z.B. für ein kleines LCD anzuschließen. Man könnte auch via USB
ein Konfigurations-Interface programmieren. Die ganze Software läuft auf
dem Kern_1. Kern_0 ist unbenutzt für mögliche Erweiterungen.
Folgende Modi gibt es:
• Lichtorgel fix mit 3 Lampen
• Lauflicht 2-8 Lampen
• Mix-Lauflicht 2-5 Lampen
• Meter-Lauflicht 2-6 Lampen
Folgende Tabelle zeigt die möglichen Konfigurationen:
Die Modi können mit diesem Demo-Video angeschaut werden.
Analog Eingang
Das Audio Signal muss kompatibel zum Analog Eingang des RasPi-Pico
aufbereitet werden. Der Eingang hat einen Messbereich von 0.0...3.3V. Je nach Signalquelle gibt es verschiedene
Möglichkeiten:
Kopfhöreranschluss
In diesem Fall kann man z.B. einen
Übertrager nehmen wie er genau für solche Fälle beim Elektronikhändler
gekauft werden kann. Geeignet ist z.B. dieser 1:5 Audio Übertrager
von Conrad. Die beiden 330 Ω Widerstände zwischen VREF und GND
zentrieren die Spannung am Übertrager und damit am A/D Eingang. Zudem
Belasten sie VREF so, dass die Spannung auf ca. 2.5V sinkt und den
Eingang empfindlicher macht (2.5V = Minimum gem. RasPi Datenblatt).
Audiosignal
Ab Mischpult, DJ-Anlage oder Vorverstärker
(z.B. Aux Ausgang , gibt's heute kaum noch aber der Hifi-Fan kennt das
noch) kann man ein
Audiosignal abgreifen welches meist mit Cinch
Anschlüssen vorhanden ist.
Dies hat im Consumer oder Semi-Professionellen Bereich normalerweise
einen Pegel von rund 300mVRMS (-10dbV) und muss für den A/D Eingang auf
rund 3Vpp angehoben werden (1VRMS). Es braucht also ein Vorverstärker,
welcher ca. Faktor 5 Verstärkt (mit Reserve). Da gibt es verschiedene
Möglichkeiten. Wer noch altes Material aus Opa's Kiste hat, baut sich
einen einfachen Transistorverstärker zusammen. Die Schaltung ist nicht
heikel, es geht so ziemlich jeder NPN Transistor (BC107-109, 147-149,
547-549 usw). C1 und C2 sind das Minimum, können aber bis 5 mal größer
sein. Die Widerstände sollten aber stimmen (5%). Braucht man mehr Empfindlichkeit, kann R1 auf 10k geändert werden.
Eingebautes Mikrofon
Dies ist bestimmt am Einfachsten für
den Betrieb weil es keinen weiteren Audio Anschluss benötigt. Hat aber
den Nachteil, dass es auf Umgebungsgeräusche reagiert und die Lautstärke
angepasst werden muss. Außerdem schränkt es den Frequenzgang ein so
dass möglicherweise die Helligkeit der einzelnen Lampen der Lichtorgel
vom Standort der Lautsprecher und der Lichtorgel abhängt.
Mikrofonmodule gibt es fertig z.B. für den Arduino sowie für den Raspberry Pi.
Bedienelemente
Für die Lichtorgel kann man mittels 2 Drucktasten die Helligkeit
der einzelnen LED einstellen. Es gibt eine Plus und eine Minus Taste mit
folgender Funktion:
• Plus-Taste = Lauflicht/Lichtorgel bzw. Heller
• Minus-Taste = Stroboskop bzw. Dunkler
• Beide gleichzeitig = Auswahl Setup Modus
Drückt man die Plus-Taste, kann man die 3 Lichtorgel-Lampen umschalten
zwischen Lichtorgel und Lauflicht. Dies ist gedacht für ein Aufbau mit nur den 3 Lampen.
Drückt man die Minus-Taste, startet ein Stroboskop für 5 Sekunden. Danach wechselt es zurück in den vorherigen Modus.
Drückt man beide Tasten, wechselt man in den Setup-Modus und kann die
einzelnen Modi bzw. Helligkeiten wählen.
Nach der Wahl leuchtet die entsprechende Lampe. Danach kann man diese
mit der Plus-Taste heller und mit der Minus-Taste dunkler einstellen.
Die Auswahl hat die Reihenfolge: 1. Gesamthelligkeit, 2. Rot, 3. Grün,
4. Blau, 5. Stimmungslicht. Drückt man nochmal beide wird der
Setup-Modus verlassen und die Lichtorgel läuft wieder.
Für die Helligkeit gibt es 11 Stufen, 0...10, Standartwert ist 5. Das
Stimmungslicht wird mit der dunkelsten Stufe ganz ausgeschaltet.
2 Sekunden nach dem keine Taste gedrückt ist, schaltet es zurück zur
Lichtorgel. So kann man sie Einstellung überprüfen bzw. weiter einstellen. 10 Sekunden danach werden die
Parameter im Flash gespeichert und der Setup-Modus verlassen.
