LEGO Sets selbst beleuchten: Eine Anleitung zum Einstieg

Corner Garage beleuchtet

Nicht erst seit dem Marketing-Testlauf unter dem Namen „Night Mode“ auf der LEGO World Kopenhagen im Februar 2020 sind Beleuchtungskits für LEGO Modelle ein heiß diskutiertes Thema in der Community. In dieser neuen Artikelreihe berichten wir von verschiedenen Möglichkeiten, Sets selbst zu beleuchten und geben euch Tipps, wie ihr eure Bauwerke am besten zum Erstrahlen bringt. Außerdem beschäftigen wir uns ein wenig mit den technischen Hintergründen und klären in einem zukünftigen Beitrag auch die Frage, ob sich eine selbstgebaute Beleuchtung preislich überhaupt rentiert.

Möchte man ein LEGO Set oder auch ein MOC beleuchten, so sind die Möglichkeiten nahezu unendlich und reichen von Standard-LEDs aus dem Elektronikbaukasten und einem einfachen An-/Ausschalter über eigens erstellte Platinen bis hin zu Steuerungen über Microcontroller oder sogar selbstprogrammierten Apps. Je nach Erfahrung, Vorkenntnissen und Ausstattung sind die Hürden hier unterschiedlich hoch. Um allen Lesern die Möglichkeit zu geben, auch mal selbst etwas zu bauen, werden hier einige Ansätze vorgestellt, von denen manche für Einsteiger und andere eher für erfahrene Bastler interessant sein dürften. Damit der Artikel jedoch möglichst gut lesbar und interessant bleibt, geht es in dieser Reihe vor allem um Möglichkeiten und Umsetzungen, weniger um technische Grundlagen. Diese habe ich deshalb auf einer extra angelegten Übersichtsseite für die Beginner unter euch zusammengetragen, um euch den Einstieg so leicht wie möglich zu machen (hier geht’s zu den Grundlagen).

LEGO und LEDs – zwei getrennte Welten?

Die meisten Leute würden vermutlich nicht behaupten, dass LEGO und handelsübliche Elektronikbauteile besonders kompatibel sind. Doch es lassen sich einige Gemeinsamkeiten ausnutzen, um für die Befestigung der LEDs nicht kleben oder gar bohren (*schauder*) zu müssen. Während Leuchtdioden mit einem Durchmesser von 5 mm ungefähr der Größe einer Noppe entsprechen, teilen sich 3 mm-LEDs ihre Größe mit dem Innendurchmesser einer „open stud“ (Noppe mit Loch). Daraus ergeben sich verschiedene Möglichkeiten, um die kleinen Lämpchen in Steinen und damit Bauwerken möglichst unauffällig zu platzieren.

LEGO Teile und Leds
LEGO Steine in Kombination mit 3 mm (links) und 5 mm-LEDs (rechts)

Neben THT-Bauteilen (Through Hole Technology – Bauteile mit „Beinchen“ zur Durchsteckmontage) werden wir in einem zukünftigen Beitrag auch einen Blick auf SMD-Bauteile (Surface Mounted Device – Bauteile zur Oberflächenmontage) werfen, die durch ihre extrem kleinen Bauformen viele neue Möglichkeiten zur Platzierung in einem LEGO Modell bieten.

„Es werde Licht“ – eine einfache Beleuchtung für Einsteiger

Wir starten mit der einfachsten Möglichkeit ein Set oder ein eigenes Modell zu beleuchten. Im Prinzip benötigt man dafür nur drei Dinge: LEDs in der gewünschten Farbe, passende Widerstände und eine geeignete Stromquelle. Als einfachste Lösung bieten sich hier haushaltsübliche Batterien an. Diese lassen sich im Falle von 9V-Blockbatterien mit einem einfachen Clip, oder bei AA-Batterien mit einer kleinen Batteriebox in den eigenen Stromkreis integrieren.

Schaltplan LED

Hat man sich für eine Leuchtdiode in der gewünschten Farbe entschieden, ist die Auslegung des passenden Vorwiderstandes essentiell! Jede Leuchtdiode besitzt einen bestimmten Arbeitsbereich, also eine Stromstärke und eine Spannung, bei der sie wie gewünscht funktioniert. Diese Werte lassen sich aus dem Datenblatt der LED, meistens jedoch schon aus dem Namen oder der Artikelbeschreibung herauslesen (zum Beispiel: LED bedrahtet Rot Rund 5mm 14 mcd 60° 20 mA 2,25V). Aufgrund des geringen Innenwiderstandes der LED würde diese beim Anlegen der verlangten Spannung jedoch von einem viel höheren als dem zulässigen Strom durchflossen, was schnell zu einer Zerstörung des Bauteils führt. Deshalb verwendet man einen Vorwiderstand, um Strom und Spannung auf die gewünschten Werte zu begrenzen. Um den benötigten Vorwiderstand für eine LED zu berechnen, muss man die benötigte Spannung für die LED von der Versorgungsspannung abziehen und das Ergebnis durch den angegebenen Strom teilen:

R = (UV – ULED) / ILED

Nimmt man die oben verlinkte LED und betreibt diese mit drei AA-Batterien (in Reihe: 3 x 1,5 V = 4,5 V), so kommt man auf einen Wert von 112,5 Ohm. Natürlich findet man nicht zu jeder Rechnung ein Bauteil mit exakt diesem Wert, dies ist jedoch auch nicht nötig. Am sichersten ist es, den nächsthöheren verfügbaren Widerstand zu wählen, in diesem Beispiel könnte man also einen 120 Ohm Widerstand verwenden.

Viele Webseiten können bei diesem Schritt der Auslegung auch mithelfen, wenn man die Werte für Versorgungs- und LED-Spannung sowie den benötigten Strom eingibt. Ein Beispiel wäre hier der LED-Rechner auf der Website von Reichelt Elektronik. Es lassen sich natürlich auch mehrere (verschiedenfarbige) LEDs mit jeweils eigenem passendem Vorwiderstand parallel schalten.

Schaltung LED Parallel

LEDs steuern mit dem Raspberry Pi

Der kleine aber vielseitige Einplatinencomputer „Raspberry Pi“ erfreut sich seit Jahren großer Beliebtheit unter Bastlern. Einige von euch haben vermutlich sowieso schon ein Exemplar zu Hause und auch in Schul- oder Universitätsprojekten kommt dieser Mini-Computer häufig zum Einsatz. Deshalb beginnen wir ein erstes Projekt mit solch einem Raspberry Pi.

Wer seine Modelle einfach nur beleuchten will (also Licht „an“ oder „aus“), kann wie zuvor erwähnt natürlich auch eine Batteriebox zur Stromversorgung verwenden. Dies ist sowohl einfacher als auch günstiger als ein Raspberry Pi zu verwenden. Im weiteren Verlauf zeige ich jedoch Beispiele von sich verändernden Lichtern (blinken, flackern, etc.), für die wir eine einfache und flexible Möglichkeit der Steuerung benötigen. Das erste Projekt kann aber mit jeder beliebigen Stromquelle nachgebaut werden, da hier das Raspberry Pi nur als konstante Stromquelle verwendet wird.

Wer noch keine Erfahrungen mit diesem Gerät besitzt, findet im Internet mit Suchbegriffen wie „Raspberry Pi einrichten“ schnell Hilfe für die ersten Schritte. Alternativ sind auch auf unserer Grundlagen-Seite einige nützliche Tipps und weiterführende Links aufbereitet. Ist das Betriebssystem erfolgreich installiert und die grafische Benutzeroberfläche aktiv, lässt sich das Gerät quasi wie ein normaler Computer bedienen (allerdings mit Linux als Betriebssystem). Im Gegensatz zu einem PC besitzt der Raspberry Pi jedoch sogenannte GPIO-Pins, also Steckkontakte, über die eine Ein- und Ausgabe von Signalen für beliebige Zwecke möglich ist (GPIO = general purpose input / output). Diese lassen sich somit auch nutzen, um daran angeschlossene LEDs zu steuern.

Raspberry Pi GPIO-Leiste
GPIO-Leiste des Raspberry Pi

Da der Fokus hier, wie eingangs erwähnt, eher auf der Kombination von Beleuchtung mit LEGO Modellen liegen soll, werden im Folgenden nur die für die Umsetzung relevanten technischen Details besprochen. Tiefergehende Grundlagen zum Nachvollziehen und Nachbauen als Einsteiger findet ihr wieder hier.

Das erste Projekt

Als erstes Projekt nehmen wir uns die Beleuchtung eines Hauses vor, was gleich zwei Vorteile hat: Zum einen bietet ein Haus im Inneren meistens genug Platz, um auch „große“ 5 mm-LEDs möglichst wenig sichtbar unterzubringen, zum anderen haben die Lichter im Haus meistens nur den Zustand „an“.

Als Testobjekt habe ich die LEGO 10264 Eckgarage aus der Reihe der Modular Buildings ausgewählt und die einzelnen Stockwerke mit LEDs in passenden Farben ausgestattet:

Corner Garage beleuchtet
LEGO 10264 Corner Garage mit Beleuchtung

Während die Wohnräume in den oberen beiden Stockwerken gelb beleuchtet sind, um für eine gemütliche Atmosphäre zu sorgen, leuchtet der Innenraum der Tankstelle und Werkstatt im Erdgeschoss weiß, um den Effekt von Neonröhren nachzubilden. Verwendet man ein Raspberry Pi zur Stromversorgung, so genügt es, die LEDs direkt über die 5 V-Ausgänge zu betreiben. Dadurch gehen die Lichter im Haus mit Einschalten der Platine immer an. Natürlich lässt sich die Versorgung hier auch mit jeder anderen beliebigen Möglichkeit realisieren. Da das erste Projekt jedoch gleichzeitig als Hinführung zu versierteren Beleuchtungen dient, lernen wir auf diesem Weg die Nutzung des Raspberry Schritt für Schritt kennen.

Um den Strom an alle LEDs zu verteilen, kann eine Verteilung inklusive der benötigten Vorwiderstände auf eine Lochrasterplatine gelötet werden, von der aus dann Kabel für alle verwendeten Lichter abgehen. Das Raspberry Pi kann natürlich nicht beliebig viel Strom zur Verfügung stellen. Die steuerbaren GPIO-Ausgänge können maximal 50 mA liefern. Die 5 V-Pins sind hingegen deutlich Leistungsstärker und können den USB-Eingangsstrom des Raspberrys (~1 A) abzüglich aller anderen Verbraucher auf der Platine liefern (weitere Informationen (Englisch)). Da aktuell keine weiteren Verbraucher angeschlossen sind, können wir zur Beleuchtung der Corner Garage ohne Probleme sechs LEDs verwenden (~ 120 mA), ohne die Versorgung zu überreizen. Dies bietet die Möglichkeit, jedes Stockwerk mit zwei Lichtern auszustatten und die Kabel dementsprechend auf die benötigten Längen zuzuschneiden.

Achtung: Ein an den 5 V-Pins angeschlossenes Kabel darf auf keinen Fall einen anderen Pin oder eine leitende Stelle auf der Platine berühren, da sonst im ungünstigsten Fall das Raspberry Pi beschädigt werden kann!

Verteilerplatine
Verteilerplatine für die Beleuchtung der Corner Garage

Sind die LEDs den gewünschten Farben und passenden Kabellängen entsprechend verlötet, müssen die Kabel geschickt im Gebäude verlegt werden. Dabei sollen die Lichter alle Räume gleichmäßig und stark genug ausleuchten und dennoch von außen möglichst unsichtbar sein.

Die Eckgarage bietet im Erdgeschoss eine Hintertür zum Innenhof, den sich alle Modular Buildings teilen. Diese Tür habe ich genutzt, um die beiden Versorgungsanschlüsse des Raspberry Pi ins Gebäude zu führen. Direkt hinter der Tür ist die Verteilerplatine platziert. Diese wird von einer minimalen Konstruktion aus LEGO Steinen an ihrem Platz gehalten, damit sie beim Verlegen der Kabel in den oberen Stockwerken nicht aus Versehen verrutscht.

Corner Garage - Erdgeschoss
Corner Garage – Erdgeschoss

Das Treppenhaus des Modular Buildings lässt sich hervorragend dafür nutzen, die Kabel in die oberen Stockwerke zu legen. Damit die Kabel nicht so leicht durch die Fenster sichtbar sind, werden diese möglichst auf dem Boden und entlang der Wände geführt. Mit LEGO Steinen aus der eigenen Sammlung lassen sich hier ganz simple Halterungen bauen, um die Kabel an den gewünschten Stellen zu fixieren.

Befestigung für Kabel
Kabelhalterung aus LEGO Steinen

Um für eine gleichmäßige, indirekte Ausleuchtung aller Räume zu sorgen, habe ich die LEDs meistens zwischen den Fenstern des Gebäudes platziert. Auch hier lassen sich wieder ganz normale Steine verwenden, um die Lichter in der gewünschten Position anzubringen.

Corner Garage - 1. Stock: Halterung
LED-Halterung aus einer Plate Modified

Beim Verbauen der LEDs arbeite ich mich immer von unten nach oben vor, da die Stockwerke sich nicht mehr so gut abnehmen lassen, sobald die Kabel durch das Treppenhaus in die Etagen verlegt sind. Sobald alle Kabel angebracht, alle LEDs platziert und befestigt und alle Stockwerke wieder zusammengesetzt sind, kann man eine wunderbare nächtliche (oder abendliche) Szenerie an der Octan-Tankstelle bestaunen:

Corner Garage Beleuchtung

Die Ampelschaltung

Um etwas mehr Leben und Abwechslung in Modelle zu bringen, können auch regelmäßige Wechsel in die Beleuchtung integriert werden. So lassen sich mithilfe einer entsprechenden Programmierung bestimmte Abläufe von verschiedenen Zuständen realisieren. Als gutes Beispiel dient hier eine Ampelschaltung, die reihum die Zustände „Rot“ – „Rot-Gelb“ – „Grün“ – „Gelb“ anzeigt.

Ampelschaltung

Um einzelne LEDs gezielt anzusteuern, verwendet man nun die GPIO-Pins des Raspberry Pi. Die genaue Funktion lässt sich dabei mithilfe eines Programms auf dem Raspberry festlegen. Auch hier gibt es mehrere Möglichkeiten. Für die folgenden Beispiele wird die Programmiersprache Python verwendet. Um die ersten Python Programme zu schreiben, eignet sich die IDE (integrierte Entwicklungsumgebung) „Thonny“. Falls das Programm bei euch nicht bereits standardmäßig installiert ist, enthält dieser Beitrag im „Developer-Blog“ neben einer Installationsanleitung auch einige gute Hinweise zu den ersten Schritten.

Da jede der drei LEDs (rot, gelb, grün) jeweils nur einen geringen Strom benötigt, können diese direkt mit entsprechendem Vorwiderstand in Reihe an die GPIO-Pins des Raspberry Pi angeschlossen werden. Die Kathoden („Minus-Pol“) der LEDs werden alle mit einem „Ground-Pin“ der GPIO-Leiste verbunden (ob mit dem gleichen oder drei verschiedenen, ist hierbei egal). Die Anschlüsse der LEDs sind quasi frei wählbar. Mit Ausnahme der Pins #1 und #2 können alle als GPIO markierten Pins verwendet werden (eine Übersicht der Funktionen der einzelnen Pins findet ihr hier). Ist die Hardware entsprechend verdrahtet, kann es an die Programmierung gehen. Wer gerne schnell ein Beispiel ausprobieren möchte oder ein Programmgerüst für eigene Weiterentwicklungen sucht, kann mit dem oben im GIF verwendeten Beispiel der Ampelschaltung beginnen: Ampelschaltung.py

Nach dem Initialisieren der drei verwendeten GPIO-Pins kommt das Programm in eine Endlosschleife, welche die vier Zustände einer Ampel zeitgesteuert durchläuft. Einmal am Ende angekommen, beginnt die Schleife wieder von vorne, bis die Programmausführung vom Benutzer abgebrochen wird.

Das Lagerfeuer

Wechselnde Lichter machen eine Szenerie zwar schon lebendiger, doch so richtig zum Leben erwachen die Modelle erst durch zufällige Veränderungen, wie zum Beispiel flackernde Lichter. Als Beispielprojekt habe ich hierfür ein Lagerfeuer gewählt, da es sich in viele Szenerien aus allen möglichen Epochen einbauen lässt.

Lagerfeuer

Für die Beleuchtung des Lagerfeuers habe ich zwei LEDs, eine rote und eine gelbe, von unten in 1×2 Trans-Clear Steine gesteckt. Die Steine sind, wie im folgenden Bild zu sehen, durch 1×2 Plates in Trans-Red und Trans-Yellow mit dem „Strand“ verbunden. Unterhalb der Konstruktion hat man dadurch etwas Platz für die Beinchen der LEDs und die daran angeschlossenen Kabel.

Lagerfeuer Befestigung
Möglichkeit zur Befestigung von LEDs unter dem Lagerfeuer

Damit das Lagerfeuer auch flackert, werden die LEDs nicht nur an- und ausgeschaltet, sondern verändern ihre Helligkeit in zufälligen Schritten. Um die Helligkeit einer LED zu verändern, muss man im Prinzip den sie durchfließenden Strom ändern. Wenn man statt dem errechneten einen größeren Vorwiderstand verwendet, leuchtet die LED nicht mehr ganz so hell wie zuvor. Es ist allerdings nicht ganz so einfach, an den Ausgängen von digitalen Schaltkreisen wie dem Raspberry Pi den Strom zu verändern, oder eine Schaltung mit einem steuerbaren Widerstand statt einem festen Vorwiderstand zu verbauen. Deshalb gibt es hier einen Trick, der sich „Pulsweitenmodulation“ (PWM) nennt: Statt den Wert des Stroms zu ändern verwendet man weiterhin einen definierten Maximalstrom und schaltet diesen in sehr schnellen Abfolgen an und wieder aus. Ist der Strom beispielsweise in 25% der Zeit an und in 75% der Zeit aus, leuchtet die LED nicht so hell wie wenn er 50% der Zeit an und 50% aus ist. Passieren diese „An/Aus“-Zyklen oft genug innerhalb kurzer Zeit, ist für das Auge kein Wechsel mehr wahrnehmbar. Das Licht der LED erscheint gleichmäßig, aber gedimmt. Eine Erklärung der benötigten Befehle habe ich auf der Grundlagen-Seite zusammengefasst, das Beispielprogramm zur Steuerung der LEDs findet ihr hier: Lagerfeuer.py

Mit der gleichen Methodik lassen sich natürlich auch viele andere Lichter, die flackern oder sich unregelmäßig ändern, programmieren. Beispiele wären das Licht eines Fernsehers, das durch ein Fenster scheint, oder funkelnde Sterne. Falls ihr ein solches Licht für ein eigenes Modell nachbauen wollt, spielt am besten etwas mit den Parametern der PWM, um eine möglichst passende Lösung für euren Einsatz zu finden.

Programme in den Autostart einbinden

Während man ein Programm schreibt und testet, genügt es vollkommen die Software manuell auszuführen, um einen Zwischenstand oder das Gesamtergebnis sehen zu können. Baut man die Beleuchtung jedoch in ein größeres Modell ein, ist es unpraktisch jedes Mal Bildschirm, Tastatur und Maus ans Raspberry anzuschließen (oder sich per SSH zu verbinden), um den Programmablauf zu starten. Einen eleganten Ausweg bietet die Möglichkeit, das gewünschte Programm einfach in den Autostart des Computers einzubinden, sodass dieses nach dem Hochfahren automatisch ausgeführt wird. Eine ausführliche Schritt-für-Schritt Anleitung dazu gibt es im deutschen Raspberry Pi Forum.

Die Grenzen von THT-Bauteilen

Bisher wurden in allen Beispielen 5 mm-LEDs „mit Beinchen“ verwendet. Elektronikbauteile zur Durchsteckmontage sind zwar recht einfach zu verarbeiten (was etwa das Löten angeht), in Kombination mit LEGO Modellen sind sie jedoch nur gut einsetzbar, wenn genügend Platz zum Umbauen und Verstecken der Technik zur Verfügung steht. Hier eignete sich das Modular Building sichtbar besser, als eine filigrane Ampel im Maßstab für Minifiguren. So schön die Ampel im zweiten Beispiel, bestehend aus drei 1 x 1 Technic-Bricks, von vorne auch erstrahlen mag, umso ernüchternder ist die Ansicht von der Seite. Beim flackernden Lagerfeuer hingegen, kann man die großen LEDs gut verstecken, so lange man eine gewisse Höhe als Unterbau zur Verfügung hat. In einem Modell mit Landschaft oder ohnehin unebenem Boden lässt sich dies recht leicht bewerkstelligen.

LED Ampel Seitansicht
Seitenansicht der beleuchteten Ampel

Um auch kleinere Modelle wie etwa Fahrzeuge oder sogar Lichtschwerter von Minifiguren aufleuchten zu lassen, wird der nächste Beitrag zum Thema „LEGO Sets selbst beleuchten“ von den viel kleineren SMD-LEDs handeln.

Wie steht ihr zum Thema „Sets beleuchten“? Besitzt ihr bereits im Handel erhältliche Beleuchtungskits, wartet ihr auf offizielle Möglichkeiten von LEGO oder bastelt ihr eure Beleuchtung ebenfalls lieber selbst? Vielleicht ist das ganze Thema auch nichts für euch und ihr habt gar keinen Bedarf an derartigen Lösungen? Schreibt eure Meinung und Erfahrungen gerne in die Kommentare! Auch über weitere Anregungen und Feedback freue ich mich sehr.

Über Tobias 42 Artikel
Als Star Wars Fan kaufte er sich als Kind von seinem ersten Taschengeld Luke's Landspeeder (7110) und kam während des Studiums durch das Modell der Saturn V zurück zu LEGO.
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