Projekt “Kindergarten Laterne Nachrüsten”

Die Idee

Während eines Umzuges fand ich beim Ausmisten (Grüße gehen Raus an Marie Kondō) eine Kiste mit Erinnerungen an meine Zeit im Kindergarten. Hauptsächlich Pappmasché “Projekte” wie diese gebastelte Laterne:

Auch wenn ich keine Erinnerungen mehr an diese Laterne habe, so finde ich es wichtig, einige Andenken zu behalten. Gleichzeitig vermeide ich so gut es geht Objekte ohne Nutzen. Da bald wieder Weihnachten ist und die Wohnung noch einige Orte ohne indirekte Beleuchtung hat, werde ich die Laterne mit einem drahtlos steuerbaren LED ausstatten!

Ich will, dass ein kleines Projekt wird. Gleichzeit finde ich “nur” LEDs irgendwie zu langweilig. Bei einer Laterne steht in der Mitte eine Kerze. Ich will dieser Grundidee folgen und eine andere Lichtquelle in der Mitte installieren. Auf thingiverse kann man sich dafür viel Inspiration holen. Diese Kristalle sehen z.B. sehr gut aus:

Umsetzung

Bei der digitalen & elektronischen Umsetzung entscheide ich mich für keine Experimente sondern für wohlgetestete Wege:

• athom Slim Controller als Hardware Controller
• WLED als Software Controller

Stattdessen lege ich bei diesem Projekt einen dekorativen Fokus! Die Laterne wird im Inneren aus Schichten aufgebaut sein. Von oben nach unten:

• 3D gedruckte Kristalle: ein großer in der Mitte, kleinere darum angeordnet.
• Diese werden von unten mit einer Schicht aus LEDs illuminiert.
• Eine Bodenplatte aus Aluminium, welche die LEDs trägt.

Schicht 1: Kristalle

Mein erster Gedanke für eine coole Lichtquelle war: Kristalle. Vermutlich zu viel Stargate Atlantis geschaut … .

Druckeinstellungen:

Dünnwanding (1-2 Schichten)
Keine Grundfläche (unten offen)
innen hohl oder mit Tree-infill (10%-15%)

Neben dem großen Kristall kommen noch eine Reihe kleinerer, die ich teils aus unterschiedlichen Materialien drucke. Liste der Kristalle:

• Mitte: Crystals by SllyBlly
• Zweitgrößter: Crystal thing by Pixelcomet
• Drei kleinere: Crystal Clusters - Scatter Terrain by Xykit
• Glow-in-the-dark: Magical Crystals by kosteklvp
• Langer Kristall “C” Crystals by solomonlq
• Optional Crystal Cluster by daandruff

Liste der Materialien:

• Weiß von JAYO PLA
• Glow In the Dark Green von Redline
• Diese hier würden sich bestimmt noch besser für Kristalle machen, aber da meine im inneren der Laterne sind, gebe ich da nicht so viel Wert drauf:
  • https://www.3djake.de/fillamentum/pla-crystal-clear-1
  • https://www.3djake.de/fillamentum/pla-crystal-clear-smaragd

Schicht 1.5: Kristallboden

Der Testdruck des großen Kristalls zeigt das Potential der richtigen Beleuchtung, es darf jedoch kein Licht am Kristall vorbei gehen, da die Wirkung dann weniger mysteriös ausfällt. Es muss also eine lichtundurchlässige Schicht herbei, die Löcher genau dort hat, wo die Kristalle sitzen werden. Das ist schwer.

1. Ich will nicht im CAD-Programm schon entscheiden müssen, wie die Kristalle angeordnet sein sollen.
2. Ich würde gerne die Kristalle einzeln drucken, um live oder gar später Anpassungen vornehmen zu können.

Der erste Versuch umfasst das Drucken einer rechteckigen Platte aus schwarzem PLA, auf welcher ich die Kristalle positioniere und das anschließende Schneiden von Löchern mit einem Messer.

Doch das wird nichts. Das PLA ist nur sehr schwer zu durchdringen und auf keinen Fall so filigran wie benötigt. Daher importiere ich das Foto der Platte mit den Bleistiftkonturen wieder in FreeCAD und zeichne händisch die Linien nach.

Danach noch die Kristalle auf den Boden geklebt und fertig!

Schicht 2: Beleuchtung

Dies wird die untere Ebene der Laterne.

Bei einem 60 LEDs/Meter Band passen auf die Grundfläche:

1. 8x14=116 LEDS wenn die LED am Rand sitzt
2. 6x12=72 LEDS wenn ich einen Abstand zum Rand lasse.

Bei einem typischen 5V WS2812b Streifen wären das jewails:

1. \(116 \text{ LED} \cdot 55 \, \frac{\text{mA}}{\text{LED}} = 6.38 \, \text{A} \cong 31.9 \, \text{W}\)
2. \(72 \text{ LED} \cdot 55 \, \frac{\text{mA}}{\text{LED}} = 3,96 \, \text{A} \cong 19,8 \, \text{W}\)

Ich entscheide mich für Option 2. Zum einen weil LEDs am Rand zu sehr durch die dünne Pappe durchschimmern könnten, aber auch, damit ich es sicher über den USB-C integrierten Connector versorgen kann (Max current: 3A). Ein Software-Limit werde ich dennoch einstellen.

Auch LEDs sind von Wärmeentwicklung betroffen - erst recht diese preiswerten. Daher habe ich mir von einem Freund aus Restbeständen eine Aluplatte (137x137x20 mm) zuschneiden lassen.

Anordnung der Beleuchtung

Am einfachsten wäre es, die LED in einem Raster anzuordnen. Nachteilig wäre, dass es dann nicht zum Motiv passen könnte und dass das Licht Lücken aufweist. Ein versetztes Raster könnte mehr Gleichmäßigkeit in die Beleuchtung bringen, würde aber die WLED 2D-Konfiguration erschweren.

Schneiden und Löten

Die LEDs schneide ich also in passende Streifen, positioniere sie nach Gefühl unter den Kristallen, klebe sie fest und löte dann die Schnittkanten wieder zusammen. Da das hier die unterste Ebene wird, muss ich auch den Controller irgendwie mit unterbringen. Damit ist die unterste Ebene fertig.

Das Löten nach dem Kleben ist übrigens viel komfortabler als wenn sich die LED-Streifen noch ständig bewegen würden. Auch, dass ich jetzt eine solide Platte habe auf der sich nichts bewegt ist gut, da die Wahrscheinlichkeit für das Wiederöffnen der Lötstellen verringert wird.

Logistik

Während der Überlegungen zur Alu-Grundplatte ist mir aufgefallen, dass die Laterne einen “Flaschenhals” besitzt. Wie bekomme ich also alles in die Laterne?

Ideen umfassten:

1. Nur so groß wie das Loch drucken
2. Schmal drucken und quer rein legen
3. In Einzelteilen drucken
4. Die Laterne auseinandernehmen.

Idee 1 und 2 schränken zu sehr ein. 3 bedeutet mehr Aufwand. 4 sorgt für potentiell irreversiblen Schaden. Ich taste mich also vorsichtig ran und versuche bei Idee 4 die Klebestellen am Boden mit einem Fön zu öffnen.

Ein bisschen der äußeren Pappe ist kaputt gegangen und der Bodenrand muss später wieder hergerichtet werden. Aber es hat funktioniert! Der Kristallplatte musste ich übrigens die Ränder abrunden, damit sie reinpasst. Jetzt kann ich alles zusammenbauen und als ganzes in die Laterne legen.

Software Programmierung

Über WLED erstelle ich einige coole presets. Wie z.B. ein langsames grünes flackern oder ein gummiartiges Regenbogen-ziehen. Unter den klassischen Effekten ist jedoch das kalt blaue flackern der Candle Multi ein optimaler hingucker.

2D

WLED hat derzeit in der Beta Version 5 eine 2D-Matrixoption. Das hier ist mein erstes WLED Projekt, das sich für Matrix anbietet. Um die Funktion zu nutzen müssten die LEDs in einem exakten Raster angeordnet werden. Da der Abstand zwischen den LEDs relativ groß ist, befürchte ich zunächst, dass die Beleuchtung vom LED-Raster zu grob wird - aber in der fertigen Laterne sieht man das kaum noch.

Die 2D Effekte eignen sich hervorragend für die Laterne. Mein Favorit ist ein langsamer rotozoomer.

Integration

WLED integriert sich nativ in Home Assistant, ebenso viele Bewegungsmelder. Daher kopple ich zunächst die Bewegung im Flur mit der Helligkeit der Laterne, so geht das Licht nur an, wenn es auch jemand sehen kann.

Stromversorgung

Dort, wo der USB Anschluss des Controllers die Papp-Wand berührt, wird vorsichtig ein Loch geschnitten. Danach suche ich mir ein beliebiges 5V 3A Netzteil, wie z.B. die guten vom Raspberry Pi. Dazu noch ein Euro-Stecker-Verlängerungskabel und man ist super flexibel.

Klar hätte man das Projekt auch mit einem Akku oder einem Batteriefach umsetzen können. Das erhöht jedoch die Komplexität und auch die Brandgefahr. Da das hier alles eine Hobbylösung ist, nehme ich ein Stromkabel gerne in kauf. Zumal einfach mehr Lithiumionen-Produkte sicherlich nicht gut für die Umwelt sein können.

Alternative Anschlüsse

Falls kein integrierten Hardware Controller verwendet werden soll gibt es auch selbstbau alternativen für den Stromanschluss. Im Endeffekt ist mir das zu komplex aber da ich 3h danach recherchierte führe ich es mit auf:

• 5PCS 5V USB Female Jack to Round Head Hole DC 5.5x2.1mm Female Jack DC Power
• USB-C Typ C 5V 3A Löt Buchse 2Pin PCB, USB-Jack Female PD, Löten Reparatur DIY
• adafruit husb238 USB-C power delivery breakout (Overkill)

Strommessung

Es sind am Ende 9 Streifen á 8 LED geworden - einfach weil es praktischer war. Theoretisch nutzen wir also: \(9 * 8 \text{ LED} \cdot 55 \, \frac{\text{mA}}{\text{LED}} = 3,96 \, \text{A} \cong 19,8 \, \text{W}\)

Ich stelle in der Software 2A als Grenze ein. Mit einem Schuko-Messgerät ermittele ich diese Daten:

Helligkeit	Nur Weiß	Typischer bunter Effekt
100%	9,8 W	7,2 W
50%	9,2 W	4,5 W
25%	4,7 W	2,9 W
0%	2,1 W	2,1 W

WS2812b und vergleichbare haben eine sehr schlechte Effizienz bei niedirgen Helligkeiten. Daher haben viele Controller elektrische Relais eingebaut. Der hier verwendete leider nicht - vorallem weil er so kompakt ist. Ich kombiniere das System daher mit einer Zeitschaltuhr bzw. einem WiFi-Plug.

Die Aluminiumplatte war eine gute Wahl. Auf voller Helligkeit wird der Boden sehr warm.

Aufstellen

Schlussendlich nutze ich noch etwas Angelschnur, um sie aufzuhängen. Jetzt verdient sie den Namen Laterne auch wieder. Aber auch auf dem Flurschrank stehend macht sie sich auch gut,

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