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Vier-Jahreszeiten-Modul Feuerwerk

Erstellungsdatum: 11.05.2014 19:29

Autor: Thomas Kortschack

Wie bereits in einem vorherigen Baubericht geschildert, hatten wir bei unserer 30. Jubiläumsausstellung 2013 eine Aktion gestartet, bei der wir die Wünsche für das Vier-Jahreszeiten-Modul gesammelt haben.
Bereits vor der Ausstellung war die Idee eines Feuerwerks im Winter angedacht und letztlich hatten diesen Wunsch auch mehrere Besucher, weil zum Jahreswechsel ein Feuerwerk gehört.

Natürlich steckt hinter einer Idee und einer Umsetzung noch ein gewisser Aufwand, zumal Tests mit Materialien und Hardware nötig sind, um letztlich die gewünschten Effekte nachzubilden. Ziel war es, ein Feuerwerk für die Modellbahn so abzubilden, dass man beim Betrachten dies auch als solches erkennen kann.

Vielen werden Lichtfaser-Leuchten bekannt sein bzw. LED-Sternenhimmel für die Raumgestaltung. Die dort eingesetzten Lichtleiter bekommt man als Meterware und diese eignen sich für den Modellbau natürlich auch. Die Idee ist nicht weit hergeholt das Feuerwerk damit umzusetzen.

Im ersten Schritt wurden einige Formen für die Explosionen entworfen:
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Diverse Formen wurden in einer CAD-Zeichnung einzeln konstruiert und die schönsten drei etwas überlappt. Dabei wurde darauf geachtet, dass sich keine Kreise überschneiden. Herausgekommen ist die folgende Aufteilung für einen Himmel mit Feuerwerkseffekten:

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Um diese Formen leichter unterscheiden zu können, werden diese als Palme (gelb), Stern (blau) und Kugel (grün) bezeichnet.

Jedes dieser Kreise ist letztlich ein Bohrloch, in diesem Fall mit einem Durchmesser von 1 mm, da die eingesetzten Kunststoff-Lichtleiter ebenfalls diesen Durchmesser aufweisen und in das Loch eingeklebt werden. Diese Löcher wurden in eine 4 mm GFK-Platte gebohrt. Entweder man macht das manuell mit einem Vordruck auf einem Blatt/Folie und bohrt die Löcher mit einer Ständerbohrmaschine oder man überlässt das einer CNC-Fräsmaschine.

Da die hier eingesetzte GFK-Platte weiß ist, wurden zunächst alle Löcher gebohrt, die Oberfläche mit feinem Schleifpapier angeschliffen und anschließend die Vorderseite mit schwarzer matter Farbe (z.B. Revell) als Nachthimmel lackiert. Da ein Reststück der GFK-Platte übrig ist, hier nochmal ein Bild mit den Materialien.

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Beim Bau sollte darauf geachtet werden, dass man die schwarze Oberfläche nicht zerkratzt, da später ein Lackieren mit den eingeklebten Lichtleitern kaum mehr möglich ist und die Farbe die einzelnen Lichtpunkte überdecken würde.
Das Ablängen der Lichtleiter kann mittels Seitenschneider oder Messer erfolgen. Um eine saubere Schnittfläche zu erhalten, sollte der Lichtleiter mit einem Polierbogen (Schleifpapier Körnung 1000) gerade geschliffen werden.
Für das Einkleben der Lichtleiter wurde Sekundenkleber genutzt, wobei zum Dosieren eine Nadel nützlich ist, um wenig Kleber seitlich am Lichtleiter aufzutragen. Von der Hinterseite wird dieser dann in die Bohrung gesteckt, sodass er mit der vorderen schwarzen Oberfläche bündig ist. In der 4 mm GFK-Platte sitzt so der Lichtleiter fest, ist mit dem Kleber innerhalb von Sekunden fixiert und hält nach einiger Zeit auch bombenfest, selbst wenn man etwas daran zieht.

Beim Einkleben der Lichtleiter muss man natürlich die Reihenfolge beachten.

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Im Fall der Kugel-Form besteht jeder Kreis aus 8 Bohrlöchern, in denen letztlich ein eingeklebter Lichtleiter steckt. Die 5 hier zum Verständnis eingezeichneten Kreise ergeben 5 Lichtleiter-Bündel, die von innen nach außen eingeklebt wurden. Um ein zusammenhaltendes Bündel zu erhalten wurden jeweils die 8 Lichtleiter am Ende ca. 5 cm mit abisoliertem Telefondraht umwickelt und mit Sekundenkleber durchtränkt. Wenn das ganze getrocknet ist, dann hat man somit ein zusammenhängendes Bündel. Das gemeinsame Ende wurde mit einer Trennscheibe nochmal gerade abgeschnitten und mit dem o.g. Polierbogen geschliffen, sodass es eine glatte Fläche zu allen Lichtleitern ergibt.

Für jeden dieser Bündel wird eine 5 mm RGB-LED mit gemeinsamer Anode (+) eingesetzt. Jedes der gezeigten Formen hat 5 Lichtleiter-Bündel, was somit eine Gesamtanzahl von 15 RGB-LEDs ergibt.
Diese LEDs wurden auf einer Lochrasterplatine in 3 Reihen angeordnet und die Anoden miteinander verbunden. Die jeweiligen Anschlüsse für R, G, B wurden auf der Unterseite der Lochrasterplatine zu Lötnägeln verdrahtet.

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Um die Lichtleiter-Bündel an den LEDs zu befestigen kann man Schrumpfschlauch verwenden, der mit einer Heißluftstation bei ca. 200 °C zusammengeschrumpft wurde, sodass die LED und das Bündel fest zusammenhalten. Ein Heißluftfön eignet sich ebenfalls hervorragend, um die Lichtleiter anzuwärmen und etwas zu biegen, vorausgesetzt man führt dies mit einer gewissen Sorgfalt durch und übertreibt nicht mit der Hitze.

Da das Feuerwerk in einer Ecke des Winterbereichs am oberen Hintergrund angebracht werden soll, ist im folgenden Bild die gesamte aufsetzbare Feuerwerks-Ecke zu sehen, die einfach auf das Vier-Jahreszeiten-Modul aufgesteckt wird und vor einem Transport wieder abgenommen werden kann. Die schwarz lackierte GFK-Platte wurde zum Schutz mit mattem Klarlack gespritzt. Beim genauen Hinsehen erkennt man die Lichtleiterpunkte zwar noch, aber das ist minimal.

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Doch bisher steckt in diesem Feuerwerk kein Leben, denn neben dem handwerklichen Teil ist die Technik hier natürlich ausschlaggebend. Wie im weiter oben dargestellten Bild führen zwei Flachbandkabel zu der Lochrasterplatine. Dort wurden jeweils mehrere Kontaktfedern angelötet, um die einzelnen Kabel an die Lötnägel beliebig anstecken zu können.
Die anderen Enden der Flachbandkabel kommen bei der sogenannten LightControl an. Dieses Modul erlaubt es u.a. 32 LEDs anzusteuern, wobei durch die dort eingesetzten LED-Treiber keine Widerstände für die LEDs nötig sind.

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Die hier eingesetzten RGB-LEDs mit der gemeinsamen Anode benötigen jeweils 3 Lichtausgänge der LightControl, was bei den insgesamt verwendeten 15 LEDs zu einer Gesamtanzahl von 45 führen würde. Da das zu viel für eine LightControl ist, werden jeweils nur 2 Farben einer RGB-LED angesteuert und zwar so, dass die Farben zwischen den 3 Feuerwerkseffekten variieren:
  • Kugel: Rot, Blau
  • Stern: Grün, Blau
  • Palme: Rot, Grün

Somit kommt man auf eine Anzahl von 30 Lichtausgängen, wobei jeder Feuerwerkseffekt aus den genannten zwei Farben besteht und man die Kabel an die Lötnägel entsprechend anstecken muss. Durch das Mischen der beiden Farben erhält man natürlich hier noch mehr Spielraum. Die fett hervorgehobenen Farbangaben sind im folgenden Bild zu sehen, wo zu Testzwecken alle 3 Feuerwerkseffekte ausgelöst wurden.

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Da die Kreise der Explosions-Formen einzeln ansteuerbar sind, kann man natürlich auch Farben innerhalb einer Form mischen.

Der gesamte Ablauf des Feuerwerks wird mit sogenannten Makros in der LightControl per Maus programmiert bzw. besser gesagt "zusammengeklickt". Kurzgefasst sind Makros kleine Programmabläufe, die Schritt für Schritt abgearbeitet werden (z.B. LED 1 an, Pause 200 ms, LED 1 aus, LED 2 an...)

Die LightControl wird hierfür mit dem BiDiB-Bus verbunden und z.B. mit der Software BiDiB-Wizard konfiguriert.
In diesem Fall wurde eine Unterstützung des neuen Modellbahnbussystems BiDiB in der eigenen Modellbahnsteuerungssoftware CARC angestrebt, um direkt von dort die BiDiB-Knoten komfortabel programmieren zu können.

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Im Screenshot ist hier der Makroablauf für die rote Kugelform zu sehen (Makro 1 Kugel R). Im Prinzip werden lediglich Lichtausgänge auf- bzw. abgedimmt, teils mit gewissen Verzögerungen und Pausen. Im Makro 0 ist der Gesamtablauf des Feuerwerks zu finden. Hier werden lediglich die Makros 1 bis 13 in einer zusammengestellten Reihenfolge ausgelöst.

Die Makros 1 bis 13 spiegeln die einzelnen Explosionen wider. "Stern G" bedeuten hier, dass der Stern in der Farbe Grün erscheint.
Die Bezeichnung "Palme R&G" bedeutet hingegen, dass die Farben Rot und Grün gemischt werden. Bei RGB-Farben ergibt das theoretisch Gelb, wobei das bei den eingesetzten RGB-LEDs nur annäherungsweise der Fall ist, aber völlig ausreicht.
Beim Makro "Stern G+B" werden die Farben Grün und Blau abwechselnd eingesetzt. D.h. der innere Kreis beginnt bei Grün, der nächste bei Blau und das jeweils abwechselnd. Bei "Stern B+G" ist das im Prinzip genauso, nur wechseln sich dort die Farben in umgekehrter Reihenfolge ab.

Das letzte Makro 14 dient dazu, das Feuerwerk per angeschlossener Taste auszulösen, sodass man hierfür keinen PC mehr benötigt.

Ein älteres Smartphone ist sicherlich nicht die beste Wahl ein anständiges Video zu drehen, dennoch sollte es für eine einfache Vorschau reichen (abspielbar z.B. mit dem VLC Media Player):
>>> Feuerwerk Video <<<

Sicherlich kann man am Ablauf noch einiges optimieren, was durch die relativ einfache Makro-Programmierung im Nachhinein noch möglich ist.
Direkt vor Ort sieht das natürlich noch wesentlich besser aus und es sei erwähnt, dass das Feuerwerk bei unserer nächsten Modellbahnausstellung am Adventswochenende 2014 zu sehen ist. Hier darf dann jeder selber drücken und schon mal Silvester im kleinen Maßstab feiern. Prost

Natürlich ist auch schon intern der Wunsch nach einem Hintergrundsound geäußert worden. An einer Umsetzung wird noch experimentiert, um hier den ohnehin knappen Kostenrahmen nicht zu sprengen.


Nachtrag 24.12.2014:
Mittlerweile wurde das Feuerwerk mit einem ELV MP3 Sound-Modul MSM 2 und einem Zusatzverstärker erweitert. Das Sound-Modul wird von der LightControl per Optokoppler angesteuert, sodass eine MP3-Datei auf der microSD-Karte abgespielt wird. Die MP3-Datei und die Feuerwerk-Makros wurden am PC zeitlich angepasst, damit die Licht- und Soundeffekte zueinander passen.

Zudem gibt es auch ein Video auf YouTube, das in unserer 31. Modellbahnausstellung aufgenommen wurde. Leider gibt es im Video bzgl. der Farbwiedergabe und den LED-Effekten Einschränkungen, sodass in der Aufnahme nicht immer alle Lichtpunkte korrekt wiedergegeben werden. Persönlich kann man sich das Feuerwerk natürlich in unserer nächsten Modellbahnausstellung 2015 ansehen.