Deelvragen: - Bij elk deel kan valt te variëren in aanpak. We bespreken welke mogelijkheden er

Hoe werkt een LED-cube?

Er zijn verscheidene manieren waarop een LED-cube zou kunnen werken. Er zijn echter vijf essentiële delen voor elke LED-cube:

1. LED-lampjes

2. Een geraamte die de LED-lampjes op hun positie houdt.

3. Een medium waarover elektronen vanaf en naar de LED-lampjes kan geleiden.

4. Een computer die het programma uitvoert.

5. Een bron die de stroom levert.

Bij elk deel kan valt te variëren in aanpak. We bespreken welke mogelijkheden er zijn en welke aanpak wij voor onze LED-cube hebben gebruikt.

LED-lampjes

Bij de LED-lampjes kun je kiezen om één-kleurige of RGB LED-lampjes te gebruiken. Het voordeel van RGB LED-lampjes is dat afbeeldingen in verschillende kleuren laten zien kunnen worden, maar het programmeren ervan is wel lastiger, want overal waar een LED-lampje in het programma aan wordt gezet, moet ook gekozen worden welke kleur die krijgt. RGB LED-lampjes maken ook de constructie van de LED-cube complexer, omdat er twee extra draden nodig zijn die naar het LED-lampje gaan om het signaal van welke kleur ze moeten worden door te geven. Dit betekent ook dat het programma zwaarder wordt voor de computer om uit te voeren. Bij kleine programma’s zal dit geen probleem worden, maar bij een groter programma zou een minder krachtige computer, problemen kunnen krijgen om het op tijd uit te voeren en zal de LED-cube niet het gewenste effect geven. Dit is afhankelijk van het type computer dat gekozen is. Een krachtige computer zou dit mogelijk wel kunnen uitvoeren.

- 6 -

Het geraamte

Het geraamte is het skelet van de LED-cube. Een deel van de LED-lampjes krijgt een positie in de lucht. Hiervoor is een geraamte nodig die ze op die positie houdt en die stevigheid geeft aan de gehele LED-constructie. Met het geraamte is er de mogelijkheid om het simpel te houden of om het juist erg ingewikkeld te maken. De simpelste manier is een rooster van ijzerdraad waar de LED-lampjes op rusten. De aanwezigheid van het ijzerdraad zal echter wel een klein deel van het licht van de LED-lampjes absorberen en zo de beelden wat minder goed zichtbaar maken. Een andere manier is door een plafond te bouwen, waaraan LED-strips naar beneden kunnen hangen. Deze LED-strips zouden ook aan een ondergrond bevestigd kunnen worden, zodat de LED-strips minder zullen slingeren. Een nadeel hiervan is dat bij het bovenaanzicht van de LED-cube de LED-lampjes niet zichtbaar zijn, omdat een plaat het zicht blokkeert. De LED-lampjes kunnen ook geïntegreerd worden in een printplaat en dat de printplaten vervolgens boven elkaar gestapeld worden. Op deze manier kunnen alleen de LED-lampjes bekeken worden via de bovenkant, aangezien onder elke LED-lamp een printplaat zit die al het licht naar de onderkant blokkeert. Aangezien er nu een printplaat aanwezig is bij de LED-lampjes, kunnen daar gemakkelijk chips aan toegevoegd worden als daar de behoefte aan is.

Een geraamte van ijzerdraad Een geraamte van printplaten Een geraamte van LED-strips

Het medium voor de elektronen

De twee pootjes van de LED-lampjes moeten verbonden worden met een plus- en minpool om te branden. De elektronen hebben een medium nodig om zich tussen de voeding en de anodes en kathodes van een LED-lamp te verplaatsen. Aan elke anode en kathode kan een koperdraad

gehangen worden, maar dat is erg inefficiënt en door de vele draden die dan door de LED-cube gaan, zullen de LED-lampjes nauwelijks te zien zijn. Er zijn meerdere manieren waardoor het aantal

verbindingen met de computer vermindert kan worden. Een van deze manieren is het aan elkaar verbinden van de kathodes. Zo kan het aantal verbindingen gehalveerd worden, maar de

verbindingen van de kathodes kunnen zo niet meer gebruikt worden voor het aansturen van één specifiek LED-lampje. Het gevolg hiervan is dat als deze verbinding afgesloten wordt, dat meerdere LED-lampjes uitgaan. De verbinding met de anode wordt daarom bepalend welke lampjes in zo’n groep aangaan en welke uitblijven.

- 7 -

Een techniek genaamd multiplexing kan gebruikt worden om dit op te lossen. Bij deze techniek wordt elke laag LED-lampjes om de beurt door de kathode van de die laag open te zetten. Als de lagen snel genoeg achter elkaar gewisseld worden, dan kunnen de ogen het niet bijhouden en lijkt het voor de ogen alsof alle lagen tegelijk aan staan. Met multiplexen zullen LED-lampjes nog steeds individueel bestuurd kunnen worden als de anodes van elke kolom aan elkaar verbonden wordt, want zeven van de acht LED-lampjes staan sowieso uit, omdat de kathodes van die lagen uitstaan. Zo zijn er nog minder verbindingen met de computer nodig. Nu zijn er nog maar 64 verbindingen nodig om de kathodekolommen aan te sturen en 8 verbindingen om de lagen aan te sturen.

Het medium kan ook verwerkt zitten in het geraamte. Als het geraamte uit printplaten bestaat, is het gemakkelijk de anodes en kathodes aan de voeding te verbinden. In LED-strips zitten standaard al de verbindingen. Het nadeel daarvan is dat bij het gebruiken van LED-strips er een limiet is aan het aantal ontwerpen dat verkoopbaar is. Als bijvoorbeeld geprefereerd wordt dat een verbinding eindigt op een ander punt, dan zal dat moeilijk aan te passen zijn. Voor ons was de beste keuze een geraamte van vertind koperdraad die zowel dient om de LED-lampjes in de lucht te houden als de verbinding tussen de anodes en kathodes en de voeding. We verbonden de kathodes van elke kolom met elkaar. Zo verminderen we het aantal verbindingen aanzienlijk en zo kunnen we nog steeds via de kathodeverbinding bepalen welke kolom aangaat en welke uit.

De computer

Om de LED-cube aan te sturen is er een computer nodig die een programma uitvoert. Er zijn

meerdere mogelijkheden hiervoor zoals: arduino, raspberry-pi of pc. Op het internet viel het ons op dat een arduino veel gebruikt werd om een LED-cube aan te sturen. Een arduino is een

microcontroller die met C of C++ programma’s uit kan voeren. Een groot voordeel van het gebruiken van een arduino is dat voor de arduino er een library bestaat, die gedownload kan worden om het programmeren van de LED-cube gemakkelijker te maken (SPI). Andere voordelen van een arduino zijn dat hij niet te duur is en dat hij beginnersvriendelijk is. Een raspberry-pi is een klein computertje en kan gebruikt worden om een LED-cube aan te sturen. De raspberry-pi wordt meestal gebruikt bij LED-cubes om erg complexe programma’s of grote LED-cubes aan te sturen, die een arduino niet kan uitvoeren. Wat wel nadelig is bij een rasperry-pi, is dat de programmeertaal waarop hij werkt python is. Voor python is er geen library om te downloaden die helpt met het programmeren. Er zal gebruik gemaakt moeten worden van de extra GPIO pins van de raspberry-pi. Een raspberry-pi is ook duurder om aan te schaffen dan een arduino. Een LED-cube aansturen kan met een pc, maar dat is niet aan te raden. Een pc zoals een desktop of een laptop hebben geen GPIO-pins om een LED-cube aan te sturen. Er zal dan een extensie gekocht moeten worden om die toe te voegen aan de pc, maar dan zou er net zo goed een arduino gekocht kunnen worden. De enige manier waarom dit gedaan zou worden, is als de LED-cube te groot is en een te complex programma heeft voor een raspberry-pi om uit te voeren. Momenteel zal dat geen probleem zijn, maar naar verwachting als LED-cubes in de toekomst meerdere toepassingen krijgen en complexer worden, kan dit onvermijdelijk worden.

Een arduino heeft 20 GPIO-pins en een raspberry pi heeft 40 GPIO-pins. Voor grotere LED-cubes zijn dat te weinig pins. Bijvoorbeeld voor onze 8*8*8 LED-cube hebben wij 72 pins nodig. Een arduino of een raspberry pi hebben daar dus te weinig voor. Op vele manieren kan de hoeveelheid outputs vergroot worden.

- 8 -

De voeding

De keuze van een voeding hangt volledig af aan de andere delen van de LED-cube. In de LED-cube zijn er twee consumenten van stroom. Dat zijn de LED-lampjes en de computer. Sommige computers zoals de Arduino en de Raspberry Pi hebben de mogelijkheid om zelf wat stroom te leveren. Echter, de stroomsterkte daarbij is laag. Een arduino en een raspberry pi kunnen maximaal 1 ampère aan stroom leveren. Ervan uitgaand dat een lampje 20 milliampère nodig heeft, zouden 50 LED-lampjes van een Arduino of een Raspberry Pi van stroom voorzien kunnen worden. Als het plan is om een 3*3*3 LED-cube te bouwen, dan zouden de LED-lampjes van alleen de computer hun stroom kunnen halen en hoeft alleen de computer van een voeding voorzien te worden. Dit zou de LED-cube versimpelen, want om een LED-lampje uit te zetten hoeft er alleen maar de stroomvoorziening uitgezet te worden. Als het plan is om een grotere LED-cube te bouwen, dan moeten de LED-lampjes van een externe bron stroom krijgen. Om te regelen welk LED-lampje aan- of uitgaat, moet er nu een systeem in elkaar gezet worden om de stroomkring van een LED-lampje te kunnen onderbreken.

Deze externe bron zal een veel hogere stroom moeten kunnen leveren. Er zijn vele AC/DC adapters te koop voor lagere stroomsterktes van enkele ampères. Als een hoge stroomsterkte nodig is, dan is een transformator makkelijker te verkrijgen.

De computer zal ook van stroom voorzien moeten worden. Zowel de raspberry pi als de arduino hebben meerdere mogelijkheden om stroom te accepteren. Zowel de arduino als raspberry pi kan via een USB-poort of via GPIO-pins van stroom voorzien worden. De arduino accepteert ook stroom via een barrel jack. De barrel jack en één set GPIO-pins van een arduino hebben een spanning tussen de zeven en de twaalf volt en tussen de zes en de twaalf volt nodig. Echter, de meeste LED-lampjes werken op een spanning van vijf volt. Als deze poorten gebruikt zouden willen worden, zal er een spanning-omvormer of twee verschillende externe stroombronnen gebruikt moeten worden. De USB-poorten en de andere set GPIO-pins van de arduino en de GPIO-pins van de raspberry pi hebben een spanning van vijf volt nodig. Het wordt alleen sterk afgeraden om deze laatstgenoemde GPIO-pins te gebruiken. De stroom die via deze GPIO-pins binnenkomt, gaat langs de veiligheidsmechanismen en gaat direct naar de processor. Een kleine piek in spanning kan ernstige schade aan de arduino of raspberry pi brengen. Een arduino of raspberry pi zou van stroom voorziend kunnen worden met een USB-kabel en een powerbank. De LED-lampjes zouden van stroom voorziend kunnen worden met een AC/DC adapter of een transformator. Wij kozen voor deze laatste methode.

- 9 -

Wat is de optimale grootte voor een LED-cube?

Hoe meer LED-lampjes er zijn, hoe meer details er in de animaties op de LED-cube verwerkt kunnen worden. De mogelijkheid om meer details te laten zien, vergroot ook de mogelijkheden bij het maken van een animatie. Wij zagen dat wij met onze 8*8*8 LED-cube hierin gelimiteerd waren. Met onze LED-cube kunnen wij geen menselijke hoofden animeren, omdat wij niet genoeg details van het gezicht konden weergeven. Een gezicht zou enorm versimpeld en geabstraheerd moeten worden om op onze LED-cube te kunnen afbeelden. Een 16*16*16 LED-cube zou mogelijk wel een menselijk gezicht kunnen afbeelden, maar wij denken dat een 16*16*16 LED-cube ook niet genoeg detail kan laten geven om specifieke gezichtseigenschappen weer te geven.

Een kleinere LED-cube dan een 8*8*8 LED-cube zal maar weinig opties hebben in het maken van een animatie. Geen enkele van onze animaties zou op een 6*6*6 of een 4*4*4 LED-cube kunnen

afspelen. Te veel detail zal verloren gaan.

Hoe groter een LED-cube wordt, hoe ingewikkelder het is om die LED-cube te bouwen. De

hoeveelheid verbindingen met de computer groeit exponentieel met de grootte van de LED-cube. Bij een 64*64*64 LED-cube zijn er (64*64) + 64 = 4160 outputs van een computer nodig. Om deze hoeveelheid outputs bij een computer te creëren, zal een enorme klus zijn. De kans dat er fout in de LED-cube zit, wordt ook groter en het wordt lastiger om de locatie van een fout te vinden.

Hoe groter de LED-cube is, hoe meer geheugen en rekenkracht het de computer kost om de animaties te berekenen. Bij een enorme LED-cube zal een sterke computer nodig zijn om de

animaties snel genoeg af te laten spelen om het effect van multiplexen te behouden. Bij een grotere LED-cube, zijn er ook exponentieel meer onderdelen nodig. Meer onderdelen zullen dan gekocht moeten worden, wat behoorlijk in de prijzen zou kunnen oplopen. Alle LED-lampjes verbruiken ook stroom. Deze zal geleverd moeten worden door een voeding. Bijvoorbeeld bij een 64*64*64 LED-cube en deze LED-LED-cube heeft LED-lampjes die werken op 20mA en 5V, dan is de maximale benodigde stroomsterkte 64 * 64 * 64 * 0,020 = 5200 A en het maximale vermogen 5 * 5200 = 26000 W. Voor deze LED-cube moeten meerdere voedingen gebruikt worden, omdat er geen voedingen te koop zijn die 26000 W leveren. Deze LED-cube kan niet aangesloten worden op een stopcontant. Bij 16 A brandt namelijk de veiligheidsdraad door. Om een 64*64*64 LED-cube te laten werken, zal hiervoor een oplossing gevonden moeten worden.

- 10 -

Wat zijn mogelijke toepassingen van LED-cubes?

LED-cubes hebben geen praktische toepassingen in de maatschappij op dit moment. Ze worden vooral gebruikt voor eigen plezier. LED-cubes zouden wel mogelijk gebruikt kunnen worden in reclame borden, bouwplannen en om 3D afbeelden en ruimtelijke figuren af te beelden. LED-cubes zouden beter kunnen werken bij deze toepassingen door bij reclame borden een driedimensionale afbeelding op af te beelden die van alle kanten bekeken kan worden. Men zou producten al in het goede formaat kunnen zien zonder een echt product voor zich te hebben. Op deze manier zou er een nog beter beeld van producten aan de consument gegeven kunnen worden. Bij bouwplannen kunnen LED-cubes een interactieve 3D-omgeving scheppen waar in de toekomst met een interface snel kleine aanpassingen gemaakt kunnen worden en je er meteen een beeld bij hebt. Het zou voor de ontwerp industrie een groot voordeel zijn om snel complexe beelden te kunnen maken. De absentie van LED-cubes in onze samenleving duidt erop dat de technologie, wat LED-cubes betreft, nog niet klaar is. Maar, als dit in de toekomst wel het geval is, zouden LED-cubes op de hiervoor genoemde manieren een grote rol kunnen spelen in de samenleving. Ook voor artsen zouden LED-cubes erg kunnen helpen. Ze kunnen een 3D beeld hebben van de opbouw van een mens voordat ze aan een operatie beginnen. Of bij het leren zou men een virtueel beeld van een mens die

geopereerd wordt kunnen tonen en in 3D uitleggen hoe het gedaan moet worden. Om het kort samen te vatten, de mogelijke toepassingen is overal waar momenteel een 2D afbeelding of scherm van is, zou vervangen kunnen worden met een 3D beeldscherm, als de technologie zich verder ontwikkelt.

Wat zijn de algemene voor- en nadelen van een LED-cube?

Het beeld is 3D en kan van alle kanten bekeken worden. Anders dan een 2D scherm zou er om een LED-cube heen gelopen kunnen worden en van alle kanten het beeld bekeken kunnen worden.

LED-cubes werken even goed overdag als ‘s nachts. Ze zijn niet gelimiteerd tot het gebruik in

donkere ruimtes in het geval dat het licht, dat door de LED-lampjes uitgezonden wordt, fel genoeg is.

LED-lampjes zijn efficiënter dan normale lampjes. Toepassingen waarbij afbeeldingen worden afgebeeld, gebruiken met normale lampjes veel energie. Het gebruiken van LED-lampjes zou veel onnodig energieverlies kunnen voorkomen.

Bij grote LED-cubes met een hoge dichtheid aan LED-lampjes ontstaat er een groot probleem. De LED-lampjes genereren warmte en bij grote LED-cubes zal de kern steeds warmer worden. Hiermee zal rekening gehouden moeten worden. Dit probleem zou opgelost kunnen worden door materialen te gebruiken die tegen hoge temperaturen bestand zijn of door een koelsysteem in de LED-cube te integreren. Beide oplossingen zouden echter de LED-cube nog ingewikkelder maken.

LED-cubes zijn gemaakt van een complexe stuk hardware, dit is een reden waardoor LED-cubes nauwelijks toepasbaar zijn. Alles moet heel nauwkeurig met elkaar verbonden worden en hoe groter de LED-cube is, hoe complexer het wordt. Dit heeft te maken met het multiplexing syteem waarmee de LED-cube werkt. Als een erg complexe animatie afgebeeld moet worden, is er een LED-cube nodig die groot genoeg is om die animatie af te beelden en moet er genoeg programmeer kennis paraat zijn om dit te programmeren.

- 11 -

LED-cubes hebben een lagere resolutie dan 2D-schermen. Dit maakt het beeld best onscherp. Dit komt doordat het complexer is dan een 2D-scherm en je meer LED-lampjes nodig hebt om een even scherp beeld te krijgen. Het dilemma ligt dus bij wat je belangrijker vind, een scherp beeld of dat het beeld 3D is. Bij tv-beeldschermen of een ander beeldscherm waar een film gekeken wordt is het belangrijker dat er een mooi en scherp beeld is. Bij de projectie van een bouwplan is het juist weer handig is dat het 3D is om van alle kanten goed bekeken kan worden, wat hoe scherp het beeld is maakt niet in dit geval niet echt uit.

Als je in het midden van de LED-cube een animatie laat afspelen is die minder goed zichtbaar, omdat er LED-lampjes eromheen staan die het zicht verminderen. Voor animaties om optimaal gezien te worden moet de hele LED-cube of alleen de buitenste randen gebruikt worden. In de toekomst zou dit wel opgelost kunnen worden door in plaats van een LED-cube een 3D projectie te hebben, dan zijn er geen LED-lampjes die uitstaan en het zicht verminderen.

In document Bij elk deel kan valt te variëren in aanpak. We bespreken welke mogelijkheden er zijn en welke aanpak wij voor onze LED-cube hebben gebruikt. (pagina 5-11)