Superhelle und wirkungsvolle LED Beleuchtung (Lageerkennung)

Hallo Gemeinde,
ich möchte hier mal eine einfache aber sehr wirkungsvolle LED Beleuchtung zur Lageerkennung vorstellen. Ich nutze die LEDs auch dazu um den eingestellten Flugmodi zu erkennen (es ist einfach uncool wenn man mit der Überzeugung dass der Stabilisierungsmodus aktiviert ist wegfliegt aber in Wirklichkeit sind alle Sensoren deaktiviert ). Ich fliege eine Naze32 und habe mir dafür die Baseflight SW etwas angepasst. Es ist auch möglich verschiedene Blinkmuster einzustellen.

Grundlegend möchte ich noch etwas zur Lageerkennung via LEDs sagen. Ich sehe immer wieder, dass die LEDs unten an den Auslegern angebracht sind. Das ist meiner Meinung nach nicht wirklich zielführend, da ich ja bei größerer Entfernung (zur Seite, nicht nach oben) durch die Perspektive wieder nicht erkennen kann welche LED-Farbe nun nach hinten bzw. welche nach vorne zeigt. Daher meine Empfehlung, und das hat sich jetzt schon bei einigen bewährt: bringt die LEDs an den Stirnseiten der Ausleger an, am Besten so, dass sie nicht ganz im 90° Winkel stehen sondern etwas nach unten gebogen sind (ca. 60° finde ich ideal). Jedenfalls so, dass man von schräg unten höchstens zwei LEDs sieht, denn damit kann man dann die Lage vernünftig einschätzen (vorausgesetzt man hat verschiedenfarbige LEDs). Wir haben verschiedene Farben getestet, als beste Kombination hat sich hinten rot und vorne grün herausgestellt.

Beispiel LED Anbringung


Was braucht man dazu:
- eine Konstantstromquelle
Diese wird benötigt um den Strom durch die LEDs immer konstant zu halten egal bei welcher Eingangsspannung (natürlich muss die Eingangsspannung etwas über der Summe der einzelnen LED-Vorwärtsspannungen liegen, da nur ein StepDown-Regler benutzt wird) und egal welche verschiedenfarbige LEDs man zusammenschaltet. Die, die ich verlinkt habe, hat noch dazu den Vorteil, dass sie einen DIM Eingang besitzt. Das bedeutet, die LEDs lassen sich leicht über ein Signal Ein/Aus schalten und sogar über PWM dimmen. Einen kleinen Negativpunkt gibt es trotzdem an diesem DIM Eingang... er kann max. nur 2,5V ab aber das macht nichts, da ich den Ansteuerausgang auf der FlightControl auf OpenCollector geschaltet habe und dieser daher nur GND durchschaltet und ansonsten offen ist. Natürlich hat der Treiber auch einen großen Vorteil, er ist sehr sehr klein und ich verbaue ihn immer so, dass alle Kabel von einer Seite an die Lötpads gehen. Somit ist es super einfach ihn mit Schrumpfschlauch zu isolieren und zu verstauen.
Die verlinkte Konstantstromquelle geht max. bis 50V, was wahrscheinlich für unsere Anwendung niemand braucht. Falls eine andere lieferbar ist (z.B. hier), kann natürlich auch die billigere Variante verwendet werden. Wichtig ist eben nur, dass mind. eine 350mA genommen wird. Es kann auch eine mit mehr Strom verwendet werden aber dann ist schon sehr auf Kühlung zu achten.

- 4 LEDs auf Kühlblechstern
Ich verbaue die verlinkten LEDs und bin vollauf zufrieden. Sie sind günstig (und ++++++ keine Versandkosten) und so hell, dass es schon in den Augen schmerzt wenn man etwas rumspielt damit (auch ein Grund, warum ich die SW geändert habe. Die LEDs sollten erst komplett einschalten wenn die Motoren laufen sonst hätte es mir wahrscheinlich irgendwann die Netzhaut weggeätzt ). Wie schon erwähnt, am besten eignen sich die "rot auf Star" und die "grün auf Star". Auch hier gibt es wieder zwei verschiedene. So wie ich das verstanden habe sind die, die etwas mehr kosten (50ct) noch etwas heller, da sie aussortiert wurden. Die roten LEDs haben eine Vorwärtsspannung von 2V, die grünen von 3,2V. D.h., bei zwei grünen und zwei roten macht das etwa 10,4V, da diese ja in Reihe geschalten werden. Das funktioniert noch gerade so mit einem 3S Akku. Da werden die LEDs wirklich erst ganz kurz bevor der Akku leer ist etwas dunkler aber immer noch super, auch bei Tageslicht.

Nun aber zur eigentlichen Verschaltung, die sehr einfach gehalten ist:

• Akku PLUS und MINUS am Treiber anschließen
• LEDs in Reihe schalten und auch am Treiber anlöten
• DIM Eingang vom Treiber an den Signalpin von MOT5 oder MOT6 der FlightControl

Vorteile:
Durch den LED Treiber, der immer einen konstanten Strom erzeugt, ist sichergestellt, dass die LEDs immer die richtige Spannung bekommen. Daher kann man die LEDs auch in Reihe hintereinander schalten und braucht sich nicht um die Spannung zu kümmern, die an jeder LED anliegen darf. Es ist nur der Strom wichtig, den die LEDs aushalten können(da bei der Reihenschaltung der Strom durch alle Bauteile gleich ist muss der Strom dann aber auch jede LED abkönnen). Der Treiber erhöht also sozusagen solange die Spannung (vorausgesetzt die Akkuspannung ist hoch genug) bis ein Strom von z.B. 350mA fließt (man könnte auch einen Treiber für 400mA oder 500mA nehmen).

Was ist zu beachten?
Nicht viel, da auch alles schön auf der Platine und den LEDs beschriftet ist. Schaltet man LEDs in Reihe, wird immer der Minus-Anschluss mit dem nächsten Plus-Anschluss verbunden. Am Motor Ausgang der FlightControl braucht nur der Signalpin verdrahtet zu werden. Gebt dem LED Treiber keine Spannung bevor nicht die LEDs angeschlossen sind, da manche dass nicht mögen.
Eine wichtige Sache ist auch noch die Kühlung. Die LEDs können ziemlich heiß werden. Bei einem 350mA Treiber werden die schon so warm, dass sie nicht mehr mit Heißkleber halten (war auch ein Hauptgrund dafür, dass ich sie erst einschalten lasse wenn die Props drehen). Wer noch mehr Helligkeit will und einen größeren Treiberbaustein (die LEDs können ja bis zu 1 Ampere) nimmt muss unbedingt ein größeres Kühlblech vorsehen oder die LEDs direkt in den Luftstrom der Props anbringen.



Nun zur Funktion der angehängten Baseflight:
Bei nicht gearmten Gerät leuchtet nichts. Wird der Kopter gearmt wird je nach eingestelltem Flugmodi ein anderes Blinkmuster ausgegeben (fest in der SW eingestellt). Beim Angle Mode ist das Blinkmuster relativ harmlos, bei Horizon schon etwas aufmerksamer und wenn beide ausgeschaltet sind schon ziemlich auffällig.
Laufen dann die Motoren an, schalten sich die LEDs auch ein, je nachdem welches Blinkmuster eingestellt ist.
Dazu müssen über das CLI folgende Einstellungen gemacht werden:
feature LED
set LED_Type=2
set LED_pinout=0 (0 für Motorausgang 5, 1 für Motorausgang 6)
set LED_ControlChannel = 6 (entspricht Aux2)
über die Parameter LED_Toggle_Delay1/2/3 und LED_Pattern1/2/3 können dann die verschiedenen Blinkmuster eingestellt werden, die mit dem LED_ControlChannel umgeschaltet werden können. Dabei entspricht das LED_Pattern einer 31 Bit Binärzahl. Die Zahl 2147483647 steht z.B. für LED immer an. einfach im Windows Taschenrechner auf Ansicht/Programmierer und die entsprechende Zahl eingeben, dann sieht man gleich darunter wie die Binärdarstellung aussieht. Eine 1 steht für LED an und eine 0 für LED aus. Die Zeit dazwischen kann man mit LED_Toggle_Delay in Milisekunden einstellen.

Ich hoffe, ich konnte etwas zur allgemeinen Flugsicherung beitragen und wünsche viel Spass damit. Bei Fragen einfach melden.
Anhang anzeigen baseflight.zip

Sehr schöne Beschreibung und technisch sauber gelöst. Das Beste ist jedoch der Preis, günstiger gehts wohl echt kaum. Außer vielleicht, wenn man die LED mittels Widerstand vergewaltigen möchte.

Bzg. der Problematik mit dem Eingangspegel am Enablepin vom Treiber. Ich nutze zwar die Treiber von XP-Power, diese möchten jedoch auch max. 1.25V am En haben, ein einfacher Spannungsteiler eignet sich hier bestens um auf diesen Pegel zu kommen.

Hast du mal die Temperatur, der genannten LED auf dem Star-Kühlkörper, gemessen?

Grüße
Elias

Die Temperatur habe ich nicht gemessen, habe mich aber schon ein paar mal verbrannt. Das war aber eher zu Zeiten als ich die LEDs auch noch vergewaltigt habe ;-). Ich finde die optimalste Lösung wäre einen Aluwinkel an den Auslegern anzubringen (wird bei mir mit den Motoren festgeschraubt) auf dem man dann zwei Löcher für die Drähte und zwei für kleine Schräubchen bohrt mit denen man dann den LED Star befestigen kann.
Wie gesagt, ich habe in der SW nur den Mode des Ausgangs auf OpenDrain umgestellt, dann funktioniert es ohne zusätzliche Hardware.
Ich würde gerne noch etwas ind die SW "reinbasteln" damit man die LED wirklich dimmen könnte über den DIM Eingang aber dazu habe ich momentan leider nicht so viel Zeit. Wenn es nämlich im Dunkeln fliegt, sind die LEDs schon fast ein bisschen zu hell um dauerhaft auf den Kopter zu schauen.

Gruß
Chris

Das mit dem Aluwinkel wird schon was bringen.

Ich habe mir für die Rebel ES dünne PCBs fertigen lassen, welche auf einem 10mm Alu-Arm montiert werden können (PCB entspricht den Layoutvorgaben zur optimalen thermischen Ableitung und der Arm dient als Wärmeableiter). Nach 10min Betrieb ist Platine, LED und Arm nicht über 50°C warm. Generell bin ich mit den Rebel ES ganz zufrieden, was Lichtleistung und Erwärmung anbelangt.
Nur für mein aktuelles Projekt benötige ich eine andere Art der Kühlung, da meine Arme nun aus Carbon-Rundrohr sind. Daher auch die Frage nach der Temperatur des Stars... ISM (Alu-Kern Platinen wären sicherlich auch noch eine Lösung, der Star ist ja im Prinzip auch nichts anderes.


Die graue Pampe um die LED ist Wärmeleitpaste welche durch die Vias gequollen ist...


Grüße
Elias

Puh, das wäre mir viel zu aufwendig. Was kostet eine solche Platine? Mit was misst du die Temperatur?
Ich denke mit Winkeln, wie ich sie beschrieben habe und dem Alu Star (momentan habe ich noch gar keinen Aluwinkel) gibt es temperaturtechnisch keine Probleme, da sich das ganze im Luftstrom der Props befindet.

Die Platinen kosten nur ein paar Cent, bei entsprechener Losgröße.

Wenn es nicht groß auf Genauigkeit ankommt messe ich die Temperaturen mit nem einfachen Fluke IR-Thermometer.

Wenn der Star zusätzlich auf einen Alu-Winkel montiert wird gibt es sicherlich keine Temperaturprobleme.

Grüße
Elias

Auch von mir großes Lob für die Beschreibung. Ich wollte meinen Copter schon lange mit einer helleren LED Beleuchtung ausrüsten, war mir aber bisher über die benötigten Komponenten nicht im Klaren. Vielleicht hier noch der Hinweis, dass die von Dir verlinkte Konstantstromquelle eine spezielle Ausführung für Betriebsspannungen von bis zu 50V ist (erkennbar am Zusatz "HV48"). Diese Ausführung ist derzeit nicht auf Lager und ich denke, bei den meisten reicht die Standardausführung für Betriebsspannungen bis 30V auch aus. Ist außerdem noch etwas günstiger.

Mir ist allerdings noch nicht klar, wie das mit dem PWM-Eingang zum Dimmen funktioniert. Kann ich da nicht direkt einen Poti-Kanal meiner Funke drauflegen oder wird hier eine gänzlich anderes PWM-Signal benötigt? Außerdem hat meine FC Ausgänge, über die ich mittels Vorwiederstand LEDs für bestimmte Statusinfos anschließen kann. Kann ich mit diesen Signalen die Konstantstromquelle auch irgendwie antriggern, also einfaches an und aus?

Grüße
Dirk

Ein PWM Signal bildet doch in gewisser Weise einen analogen Wert ab, das ist hier mit dimmen gemeint.
Ist dein PWM-Signal nun also 30 Zeiteinheiten an und 70 aus, wird die LED ca. nur mit 30% ihrer Helligkeit leuchten. Das Servo-Signal würde prinzipiell auch gehen, muss aber über einen Spannungsteiler. Und mit 50Hz ist es noch sehr langsam, könnte zum Flimmereffekt führen.

Im Datenblatt wird zumindest nicht explizit auf eine Enable-Funktion hingewiesen. Vielleicht klappt es aber, wenn man den Dim-Eingang auf Masse zieht. Dann könnte man selbigen natürlich über einen Spannungsteiler mit der FC verbinden.


Grüße
Elias

Ja, klar, die 50V Variante ist natürlich nicht unbedingt nötig aber zu dem Zeitpungkt als ich das geschrieben habe war es genau umgekehrt. Da war keine 30V Variante lieferbar.

Die Konstantstromquelle arbeitet so, dass ohne Signal am DIM-Eingang die LED ständig bestromt wird (ist also AN). Legt man den DIM-Eingang auf GND (Masse) schaltet der Ausgang ab. Deswegen von mir die Anpassung der SW, so, dass der Ausgang der FC nur immer auf GND schaltet bzw. offen bleibt.

Gruß
Chris

In meinem Fall liefert die FC an den Signalausgängen einen 5V Pegel für "AN", das heißt, ich müsste das Signal irgendwie invertieren. Hast Du da einen Tip, wie ich das möglichst simpel elektronisch statt softwaretechnisch löse? Außerdem hatte ich irgendwo gelesen, dass der DIM Eingang der Konstantstromquelle nur einen Pegel von unter 3V verträgt. Ich gehe davon aus, dass auch Deine FC einen 5V Pegel liefert, wie hast Du das gelöst? Auf Deiner Skizze sieht es jedenfalls so aus, als hättest Du den DIM Eingang direkt mit Deiner FC verbunden.

Grüße
Dirk

Ups - hatte noch den Hinweis von Elias übersehen, damit könnte es dann tatsächlich funktionieren.

Mit einem Spannungsteiler. Da muss nichts invertiert werden.

Sollte das Verhalten der Flightcontrol andersrum sein (bei 5V Led aus) gilt folgendes:
Ich würde das ganz einfach mit einem N-Fet lösen.
Gate Anschluss Fet --> Flightcontrol Led Steuerungssignal
Drain Anschluss Fet --> Dim Eingang Konstantstromquelle
Source Anschluss Fet --> GND bzw. Masse (am einfachsten auch von der Konstantstromquelle)
Somit sind beide Probleme (Invertierung und Pegel) gelöst. Es ist nur wichtig, dass der Fet zwischen 0V und 5V am Gate schaltet (das werden wohl die meisten Logic Level Mosfets). Ich denke ein Pullup (bzw. Spannungsteiler) am Dim Eingang ist nicht nötig.
Ja, ich habe den Dim Eingang direkt an der Flightcontrol. Ich habe den Ausgang der Flightcontrol so umkonfiguriert (OD bzw. Open Drain heisst das beim Controller), dass dieser im Prinzip nichts anders macht als die Lösung mit dem Fet.
Vielleicht sollten wir das mal beim Hersteller anfragen ob er nicht noch einen Fet auf der Platine unterbringt um den Dim Eingang High- und Low-aktiv zur Verfügung zu stellen.
Gruß
Chris

Besten Dank Euch allen für die Hinweise. Teile sind bestellt. Werde es aber doch mal zuerst mit dem Spannungsteiler probieren.

Chris, kannst Du bitte noch mal ein Bild senden, wie Du die LED Stars an Deinem Copter befestigt hast? Das Kleben scheint ja wegen der Wärmeentwicklung nicht optimal zu sein.

Grüße
Dirk

Oje Oje, Gott sei Dank Spannungsteiler. Ich hab da vorhin etwas falsch beschrieben. Lt. meiner Beschreibung würde ja die Led ausschalten wenn an der FC 5V ausgegeben werden. Sorry. Muss ich gleich mal korrigieren.

So, alle Teile sind heute gekommen. Habe dann testweise sofort mal eine LED angeschlossen und die Kontantstromquelle mit einem 9V Steckernetzteil gespeist. DIM Eingang entsprechend den vorherigen Ausführungen zunächst mal offen gelassen.

Ergebnis: Die LED leuchtet, aber die Konstantstromquelle wird mächtig warm. Hatte vorher mal meinen 4S Lipo dran, aber da ist mir das Teil fast abgeraucht, so heiß wurde das. Laut Spezifkation dürfte ich eigentlich keinen Fehler gemacht haben, schließlich verträgt die Kontantstromquelle 30V Eingansspannung.

Hat da jemand eine Erklärung?

Grüße
Dirk

...du hast die 350mA Stromquelle?
Ich denke, je größer der Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsspannung ist, desto wärmer wird das Ding werden.

Sinnigerweise hatte ich mir gleich zwei KSQ bestellt. Und die zweite funktioniert genauso, wie von Chris beschrieben. Der Strom im LED-Strang liegt konstant bei gemessenen 356 mA, wobei ich nun 4 LED in Reihe betrieben habe. Die erste KSQ hatte im LED-Strang einen wechselnden Wert zwischen 700 und 800 mA. Entweder wurde falsch ausgeliefert, die KSQ war bereits lieferseitig defekt, oder - und das ist wahrscheinlich - ich habe das Teil durch die ersten Versuche selbst gekillt. In jedem Fall weisen beide KSQ auf der Platinenrückseite kleine Aufkleber auf, auf der eine Nummer zu erkennen ist. Die letzten beiden Stellen dieser Nummer sind bei den KSQ unterschiedlich, vermute aber, dass das nur eine Seriennummer ist.

Sei es drum, die zweite KSQ läuft einwandfrei und wird auch nur mäßig warm - auch bei Anschluss meines 4s Lipos. Auch die Ansteuerung habe ich mit Spannungsteiler gelöst. Bei den 5V, die meine FC als Signalpegel liefert und einem einfachen Spannungsteiler unter Verwendung der Wiederstände 2,2 KOhm und 3,3 KOhm greife ich 2V Signalspannung ab. Liefert meine FC keinen Pegel, wird der DIM Eingang über den 2,2 KOhm Wiederstand auf Masse gezogen und die LED gehen aus.

Die LED sind bei Bestromung mit 350 mA wirklich extrem hell, werden aber - wie beschrieben - auch sehr heiß. Daher nochmal die Bitte an Chris, ein Foto von der LED Star Befestigung am Copter unter Verwendung der Alu-Winkel zu senden.

Grüße
Dirk

Freut mich, dass es funktioniert. Danke für die Beschreibung. Ich hatte schon fast an den Dingern gezweifelt als du geschrieben hast, dass das Ding bein einer LED so heiß wird. Dass sollte ja eigentlich auch der Vorteil an den Platinen sein, dass die die Spannung nicht verheizen müssen aber welche Schaltungstechnik hier genau dahinter steckt weiß ich auch nicht 100%ig.
Der Winkel ist mit den Schrauben an für die Motoren befestigt. Bild folgt noch. Versprochen.

Gruß
Chris

Hier nun das Bild der Befestigung von unten. Das ist leider noch ein Kunststoffwinkeln und noch 90°. Die LED wurde mit einem Klecks Heißkleber befestigt. Bei der Aluwinkel Variante würde ich aber zwei kleine Gewinde und Kunststoffschrauben empfehlen, die den LED Star dann in den Einkerbungen halten. Hier ist es kein Problem, weil die LEDs schön im Luftstrom sind und sich erst voll einschalten lassen wenn der Prop dreht.

So, hat zwar bei mir etwas länger gedauert, aber nun habe ich die LED auch an meinem Copter installiert. Habe dazu extra spezielle Alu-Halterungen gefertigt, die dafür sorgen, dass die LED einerseits genau parallel zur Copter-Querachse liegen, andererseits aber auch nach unten abklappbar sind. So kann ich auf dem Flugfeld den optimalen Winkel einstellen. Die Bilder werden das etwas klarer machen.

Grüße
Dirk