Energieeffizienter Uhrenwecker mit Leuchtanzeige
Wie wär's zur Abwechslung mal mit einer LED-Uhr, die nicht besonders viel, sondern besonders wenig Strom verbraucht? Vorschlag für einen energieeffizienten Uhrenwecker mit rotleuchtender LED-Anzeige, durchdachter Ein-Knopf-Bedienung und einem Leistungsbedarf von deutlich unter 0,25 Watt.
Einleitung | Prototyp | Schaltung | Details | Nachbau | Programmierung | Bedienung | Energiebilanz | Erfahrungen | Links | Index
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Bild 1a: Kein Elektrosmog am Kopp, kein unnötiger Stromverbrauch, so geht's auch! |
Das Problem
Uhrenwecker mit Leuchtanzeige bekommste bei einschlägigen
Elektronikverramschern nachgeschmissen. Allerdings oft nur als Kombigeräte
mit mehr oder weniger geistreichen Gimmicks, wie etwa einem qualitativ minderwertigen
Radioteil, einer Spielzeug-Wetterstation oder einer schlecht lesbaren
Zeitprojektion. Diese Extras haben für den geizig-geilen Konsumdeppen
eine unwiderstehliche Anziehungskraft und sie generieren zusätzliche Rohstoff-
und Energiekosten, selbst dann, wenn man die tollen Sonderfunktionen
nur einmal und nie wieder benutzt...
Für den normalen Uhrenbetrieb und ein bisschen Leuchtanzeige wird nur relativ wenig Leistung benötigt. Doch das Netzteil muss ausreichend dimensioniert sein, dass es auch den zusätzlichen Strombedarf für besagte Extrafunktionen aufbringen kann, ohne gleich "durchzubrennen". (Jedenfalls nicht vor Ablauf der Garantiezeit.) Fast immer kommt hier ein billiger konventioneller Kleintransformator zum Einsatz, der dann die meiste Zeit praktisch im Leerlaufbetrieb verbringt, also mit eher schlechtem Wirkungsgrad. So liegt die Verlustleistung des Trafos oftmals höher, als der eigentliche Leistungsbedarf der Uhr. Das bedeutet: Sinnlose Energieverschwendung, herausgeschmissenes Geld und permanente Brandgefahr. Wieder ein Beispiel, wo die Industrie die Zeichen der Zeit vollkommen verschlafen hat!
Das vorgestellte Projekt beruht daher auf selbstleuchtenden Siebensegmentanzeigen vom Typ "SA 08-11". Diese bestehen aus roten LEDs mit der vielversprechenden Bezeichnung "high efficiency red" - und das scheint nicht zuviel versprochen. Schon mit wenigen Milliampere Treiberstrom pro Segment erhalten wir erstaunlich helle Ziffern von 20 mm Höhe, die selbst unter Verwendung einer starken Filterscheibe und unter Tageslichtverhältnissen noch aus einigen Metern Entfernung recht gut ablesbar sind.
Eine vierstellige Zeitanzeige würde allein und für sich mit maximal 150 mW an elektrischer Primärleistung auskommen. Klar ist, dass noch weitere Verluste durch Vorwiderstände und Treiberschaltungen zu erwarten sind - aber diese Verluste lassen sich durch Anwendung einer energieeffizienten Multiplexsteuerung durchaus in akzeptablen Grenzen halten.
Alle logischen Funktionen übernimmt in diesem Projekt ein ATtiny2313. Dieser kleine Mikrocontroller bietet mit seinen 2 kByte Programmspeicher ausreichend Platz für die hochsprachliche Umsetzung folgender Funktionen:
Quarzgenauer Sekundentakt; Anzeige-Multiplex; Dimmfunktion; "interaktive" Menüführung zum Stellen von Uhrzeit und Alarmzeit; Erzeugung des Wecktons; und - last, but not least - eine komfortable Steuerung aller Bedienfunktionen über einen einzigen Knopf!
Dabei handelt es sich um eine praxiserprobte Lösung, bei der Sparsamkeit und Langlebigkeit im Vordergrund standen. Hier wird keine Portleitung, keine Rechenkapazität und kein Milliwatt an elektrischer Leistung verschenkt. So benötigt der Prozessorkern des ATtiny2313 bei relativ niedriger Taktfrequenz an 5 V Betriebsspannung und bei laufendem Programm gerade einmal 3 mA Betriebsstrom (entsprechend 15 mW). Im Vergleich zur Leuchtanzeige ist der Leistungsbedarf des Controllers schon fast zu vernachlässigen.
Aufgrund dieser Überlegungen erscheint es nun überhaupt nicht mehr unrealistisch, dass ein LED-Wecker mit nur etwa 1/4 W an elektrischer Leistung auskommen müsste. Um es vorweg zu sagen: Diese Zielvorgabe wurde schließlich sogar noch etwas unterboten, wie einige Messungen an real existierenden Prototypen gezeigt haben.
Ein Viertel Watt und weniger - in diesem Leistungsbereich wäre ein konventioneller Netztrafo die reinste Verschwendungswirtschaft. Seine ohmschen und induktiven Verluste würden wahrscheinlich stärker zu Buche schlagen, als die eigentliche Nutzlast. Aus diesem Grund verzichtet der vorgestellte Wecker konsequenterweise ganz auf einen Netztrafo. Stattdessen kommt hier ein sogenanntes Kondensatornetzteil zum Einsatz.
Beim Kondensatornetzteil liegt ein spannungsfester Folienkondensator direkt in Reihe zur Netzspannung und wirkt als strombegrenzender, kapazitiver Vorwiderstand. Seine Kapazität ist auf den maximalen Strombedarf der zu versorgenden Schaltung abgestimmt. Zusammen mit einem Gleichrichterkreis und einer Parallelstabilisierung lassen sich auf diese Weise Kleinspannungen gewinnen, die durchaus auch zur Versorgung elektronischer Baugruppen verwendbar sind, wenn man einige Bemessungs- und Sicherheitsregeln beachtet.
Im Gegensatz zu einem ohmschen Vorwiderstand produziert der Vorschaltkondensator praktisch keine thermische Verlustleistung. Der Wirkungsgrad eines Kondensatornetzteils ist daher oft noch besser, als der eines optimierten konventionellen Netzteils oder eines Schaltnetzteils. Zudem lässt sich die Kondensatorlösung in vielen Fällen kompakter und billiger aufbauen, als ein Transformatornetzteil. Das dürfte der Grund sein, weshalb diese Methode zum Beispiel in elektronischen Dimmern oder Master-Slave-Steckdosenleisten zum Einsatz kommt. Weitere Informationen und Bemessungsregeln zu Kondensatornetzteilen finden sich in dem lesenswerten Artikel unter [1].
Weitere Vorteile: Wo kein Trafo vorhanden ist, entstehen auch keine stärkeren magnetischen Wechselfelder, also praktisch kein "Elektrosmog". Wo kein Trafoblech vibrieren kann, entstehen keine Brummgeräusche.
Nachteil: Das Kondensatornetzteil bietet keinerlei galvanische Trennung zum Netz. Alle Schaltungsteile können gegenüber Netzerde ein mehr oder weniger gefährliches Potenzial, bis hin zur vollen Netzspannung, aufweisen. Mit anderen Worten, die Schaltung darf keine elektrisch durchverbundenen Schnittstellen zur Außenwelt haben und das Gehäuse und alle Bedienelemente müssen ausreichend isoliert sein (Schutzklasse II). Diese Anforderungen sind bei einem Wecker aber recht einfach zu erfüllen - wofür gibt es Kunststoffgehäuse und isolierende Schalter und Taster (siehe Gerätebilder 1a, 1b)!
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Für den normalen Uhrenbetrieb und ein bisschen Leuchtanzeige wird nur relativ wenig Leistung benötigt. Doch das Netzteil muss ausreichend dimensioniert sein, dass es auch den zusätzlichen Strombedarf für besagte Extrafunktionen aufbringen kann, ohne gleich "durchzubrennen". (Jedenfalls nicht vor Ablauf der Garantiezeit.) Fast immer kommt hier ein billiger konventioneller Kleintransformator zum Einsatz, der dann die meiste Zeit praktisch im Leerlaufbetrieb verbringt, also mit eher schlechtem Wirkungsgrad. So liegt die Verlustleistung des Trafos oftmals höher, als der eigentliche Leistungsbedarf der Uhr. Das bedeutet: Sinnlose Energieverschwendung, herausgeschmissenes Geld und permanente Brandgefahr. Wieder ein Beispiel, wo die Industrie die Zeichen der Zeit vollkommen verschlafen hat!
Lösungsvorschlag
Eine Leuchtanzeige sollte unser Wecker schon haben, denn, mal ehrlich, wer will sich schon nachtnächtlich über die schlechte Ablesbarkeit von so einem LCD-Teil aufregen?Das vorgestellte Projekt beruht daher auf selbstleuchtenden Siebensegmentanzeigen vom Typ "SA 08-11". Diese bestehen aus roten LEDs mit der vielversprechenden Bezeichnung "high efficiency red" - und das scheint nicht zuviel versprochen. Schon mit wenigen Milliampere Treiberstrom pro Segment erhalten wir erstaunlich helle Ziffern von 20 mm Höhe, die selbst unter Verwendung einer starken Filterscheibe und unter Tageslichtverhältnissen noch aus einigen Metern Entfernung recht gut ablesbar sind.
Eine vierstellige Zeitanzeige würde allein und für sich mit maximal 150 mW an elektrischer Primärleistung auskommen. Klar ist, dass noch weitere Verluste durch Vorwiderstände und Treiberschaltungen zu erwarten sind - aber diese Verluste lassen sich durch Anwendung einer energieeffizienten Multiplexsteuerung durchaus in akzeptablen Grenzen halten.
Alle logischen Funktionen übernimmt in diesem Projekt ein ATtiny2313. Dieser kleine Mikrocontroller bietet mit seinen 2 kByte Programmspeicher ausreichend Platz für die hochsprachliche Umsetzung folgender Funktionen:
Quarzgenauer Sekundentakt; Anzeige-Multiplex; Dimmfunktion; "interaktive" Menüführung zum Stellen von Uhrzeit und Alarmzeit; Erzeugung des Wecktons; und - last, but not least - eine komfortable Steuerung aller Bedienfunktionen über einen einzigen Knopf!
Dabei handelt es sich um eine praxiserprobte Lösung, bei der Sparsamkeit und Langlebigkeit im Vordergrund standen. Hier wird keine Portleitung, keine Rechenkapazität und kein Milliwatt an elektrischer Leistung verschenkt. So benötigt der Prozessorkern des ATtiny2313 bei relativ niedriger Taktfrequenz an 5 V Betriebsspannung und bei laufendem Programm gerade einmal 3 mA Betriebsstrom (entsprechend 15 mW). Im Vergleich zur Leuchtanzeige ist der Leistungsbedarf des Controllers schon fast zu vernachlässigen.
Aufgrund dieser Überlegungen erscheint es nun überhaupt nicht mehr unrealistisch, dass ein LED-Wecker mit nur etwa 1/4 W an elektrischer Leistung auskommen müsste. Um es vorweg zu sagen: Diese Zielvorgabe wurde schließlich sogar noch etwas unterboten, wie einige Messungen an real existierenden Prototypen gezeigt haben.
Ein Viertel Watt und weniger - in diesem Leistungsbereich wäre ein konventioneller Netztrafo die reinste Verschwendungswirtschaft. Seine ohmschen und induktiven Verluste würden wahrscheinlich stärker zu Buche schlagen, als die eigentliche Nutzlast. Aus diesem Grund verzichtet der vorgestellte Wecker konsequenterweise ganz auf einen Netztrafo. Stattdessen kommt hier ein sogenanntes Kondensatornetzteil zum Einsatz.
Beim Kondensatornetzteil liegt ein spannungsfester Folienkondensator direkt in Reihe zur Netzspannung und wirkt als strombegrenzender, kapazitiver Vorwiderstand. Seine Kapazität ist auf den maximalen Strombedarf der zu versorgenden Schaltung abgestimmt. Zusammen mit einem Gleichrichterkreis und einer Parallelstabilisierung lassen sich auf diese Weise Kleinspannungen gewinnen, die durchaus auch zur Versorgung elektronischer Baugruppen verwendbar sind, wenn man einige Bemessungs- und Sicherheitsregeln beachtet.
Im Gegensatz zu einem ohmschen Vorwiderstand produziert der Vorschaltkondensator praktisch keine thermische Verlustleistung. Der Wirkungsgrad eines Kondensatornetzteils ist daher oft noch besser, als der eines optimierten konventionellen Netzteils oder eines Schaltnetzteils. Zudem lässt sich die Kondensatorlösung in vielen Fällen kompakter und billiger aufbauen, als ein Transformatornetzteil. Das dürfte der Grund sein, weshalb diese Methode zum Beispiel in elektronischen Dimmern oder Master-Slave-Steckdosenleisten zum Einsatz kommt. Weitere Informationen und Bemessungsregeln zu Kondensatornetzteilen finden sich in dem lesenswerten Artikel unter [1].
Weitere Vorteile: Wo kein Trafo vorhanden ist, entstehen auch keine stärkeren magnetischen Wechselfelder, also praktisch kein "Elektrosmog". Wo kein Trafoblech vibrieren kann, entstehen keine Brummgeräusche.
Nachteil: Das Kondensatornetzteil bietet keinerlei galvanische Trennung zum Netz. Alle Schaltungsteile können gegenüber Netzerde ein mehr oder weniger gefährliches Potenzial, bis hin zur vollen Netzspannung, aufweisen. Mit anderen Worten, die Schaltung darf keine elektrisch durchverbundenen Schnittstellen zur Außenwelt haben und das Gehäuse und alle Bedienelemente müssen ausreichend isoliert sein (Schutzklasse II). Diese Anforderungen sind bei einem Wecker aber recht einfach zu erfüllen - wofür gibt es Kunststoffgehäuse und isolierende Schalter und Taster (siehe Gerätebilder 1a, 1b)!
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Bild 1b:
Innenleben des Uhrenweckers für direkten Netzbetrieb |
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Schaltunterlagen Uhrenwecker
| 1. Schaltplan des netzbetriebenen Uhrenweckers mit ATtiny2313 |
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| 2. Stückliste des netzbetriebenen Uhrenweckers mit ATtiny2313 |
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-------------------------------------------------- LED-Uhr mit Weckfunktion für direkten Netzbetrieb Schaltung Version 1.0 Ueberarbeitung von 1/2008 Julien Thomas, Kiel -------------------------------------------------- Widerstände: R1, R2 100k 1/4W R3 100 Ohm 1W R4 47k R5 100k R6 47k R7...R14 1k0 Kondensatoren: C1 0,1µF / 275VAC *X2* (MKT/MKP) C2 0,47µF / 275VAC *X2* C3 0,22µF / 63V Folie (MKS) C4 1000µF / 6,3V Elko 105°C C5 1F/5,5V Stützkondensator (GoldCap), ALTERNATIVE: NiMH-Stützbatterie Typ 3,6V/60mA (3GP60) C6 100nF Kerko (Abblockkondensator) C7 0,47µF / 63V Folie (MKS) C8, C9 0,22µF / 63V Folie (MKS) C10 1nF Kerko C11,C12 33pF Kerko (NP0) Halbleiter: IC1 AT90S2313 / ATtiny 2313-20 (DIL) D1-D13 1N4007 Dis1-Dis4 SA08-11 (7-Segment-Anzeige mit gem. Anode, low current) Sonstiges: - Mini-Sicherung 315 mA flink im Rastermaß 5mm - Schallwandler Piezo (BM 15B) und Blende für berührungssicheren Einbau (KAB-ELK-26) oder dynamischen Kleinlautsprecher mit einem Gleichstromwiderstand von mindestens 100 Ohm - Taster für Schutzart-II (MS131) - 2 Platinen nach Layoutvorschlag - auf Isolierabstände achten! - Hochwertige IC-Fassung 20pol DIP für AVR - Steckverbindung für Netzspannung an X1 - Konnektoren X2, X3, X4, X5a/X5b für X5 z.B. SIL-Sockelleisten + Rasterstegleitung oder Stiftleisten + Steckverbinder für 2,54-mm-Raster - Kunststoffgehäuse mit roter Filterscheibe (TEKO D12) - Netzkabel mit Eurostecker und Zugentlastung, ggf. Stecksystem f. Platinenanschluss - Miniaturtaster im RM5/7,5 für Printmontage - siehe Platinenlayout (In Klammern Reichelt-Bestellcodes.) |
| 3. Layout für Hauptplatine und Anzeigeplatine, (300dpi, Rechtsklick zum Herausspeichern) |
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| 4. Bestückungsplan für Hauptplatine
und Anzeigeplatione (Rechtsklick zum Herausspeichern) |
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Schaltungsdetails Uhrenwecker
Abschnitt 1 der Schaltunterlagen zeigt den übersichtlichen Stromlaufplan des Uhrenweckers. Auf der linken Seite sehen wir den Netzeingangsteil mit einem parallel zum Netz geschalteten Funkentstörkondensator. In Reihe zum Netz liegen der eigentliche Vorschaltkondensator, eine Schmelzsicherung und die Gleichrichterbrücke. Darauf folgt eine bewusst überdimensionierte Parallelstabilisierung, die dafür sorgt, dass die Kleingleichspannung für den Mikrocontroller den Sollwert unter keinen Umständen überschreiten wird.Der Kondensator C2 wirkt als kapazitiver Vorwiderstand. Hier wird vorzugsweise ein netzspannungsfester sogenannter "X2"-Kondensator eingesetzt. Dazu unten weitere Anmerkungen. Die Kapazität des Vorschaltkondensators lässt sich mit guter Genauigkeit nach einer Formel berechnen, in die der kapazitive Scheinwiderstand des Kondensators bei 50 Hz (Netzfrequenz) sowie der gewünschte Strom (Ohmsches Gesetz) für den Abgriff der Teilspannung mit einfließen. Herleitung in aller Kürze:
Xc = 1 / omega * C (kapazitiver Blindwiderstand)
Xc = 1 / 2 * pi * 50 Hz (kapazitiver Blindwiderstand bei 50 Hz)
R = U / I (Ohmsches Gesetz)
Aufgelöst und umgestellt nach C ergibt sich:
Cx = I / 2 * pi * 50 Hz * U
mit
I = 30mA ; Ub = ca. 6V ; U = 230V – Ub = 224V
also:
Cx = 0,03 A / 2 * 3,141 * 50 Hz * 224 V
Cx = 4,26 * 10-7 F = 0,43 µF
Der nächsthöhere Normreihenwert von 0,47 µF passt recht gut und bietet noch ausreichend Leistungsreserve bei etwaiger Netz-Unterspannung.
Der Vorschaltkondensator speist nun also unsere Gleichrichterbrücke aus D1-D4 mit strombegrenzter Netzspannung. Danach folgen unmittelbar die Parallelstabilisierung durch eine Reihenschaltung von D5-D12, sowie ein Mindestschutz gegen negative Impulsstörungen durch eine weitere antiparallel geschaltete Diode D13. Alle Dioden sind robuste 1-A-Siliziumdioden vom Typ 1N4007 (Sperrspannung 1000 V).
Die 8 Dioden D5-D12 mit ihrer Schwellenspannung von jeweils 0,7 V ergeben zusammen eine Stabilisierung auf etwa 5,6 V. Es handelt sich um pulsierende Gleichspannung, weil hier noch keine Siebkondensatoren parallel liegen. Diese Spannung ist praktisch sofort weg, wenn das Gerät vom Netz getrennt wird. Über den hochohmigen Spannungsteiler R4/R5 wird die Spannung auf etwa 4 V reduziert und über den kleinen Glättungskondensator C8 direkt auf den Porteingang PD4 des Controllers gegeben. Somit weiß der Controller genau, wann Netzspannung vorhanden ist. Die 4 V sind ein satter HIGH-Pegel, aber wenn der Porteingang auf LOW-Pegel abfällt, muss das Programm in den Energiesparmodus umschalten.
Die eigentliche Betriebsspannung für Controller und Display wird erst am Abgriff D5-D6 gewonnen. Hier beträgt die parallelstabilisierte Spannung nun maximal 4,9 V. Diese Spannung wird über C3 (220 nF) von etwaigen Impulsstörungen gereinigt, über C4 (1000 µF) geglättet und über den Speicherkondensator C5 (1 F) großzügig gepuffert.
Bei C5 handelt es sich natürlich um einen "GoldCap" mit einer Spannungsfestigkeit von 5,5 V. Sollte der Strom ausfallen, dann kann der Mikrocontroller dies erkennen, sein Display abschalten und mit der Ladung aus dem Speicherkondensator noch bis zu 30 Minuten normal weiterlaufen. Alle Speicherwerte bleiben erhalten, und die Uhr läuft auch mit der normalen Genauigkeit weiter.
Die Platine sieht für Test- und Messzwecke noch die Steckverbindung X2 vor. Hiermit kann die Funktion der Schaltung auch ohne Netzanschluss getestet werden, indem man eine unstabilisierte Gleichspannung 6...12 V anschließt. In diesem Fall (und nur dann!!!) ließe sich der AVR auch über einen Zwischensockel direkt in der Schaltung programmieren. Ich empfehle jedoch die Verwendung eines externen Programmiergerätes, zumal die Firmware ja nicht ständig geändert werden muss (toi-toi-toi!).
Wird Netzspannung verwendet, dann lässt sich an X2 ein isoliertes (!) Multimeter oder ein massefreier Tastkopf anschließen. Hier liegt eine mit 100 Hz pulsierende Gleichspannung mit dem Spitzenwert von 5,6 V vor. Der angezeigte Effektivwert wird also je nach Messverfahren mehr oder weniger deutlich darunter liegen.
Anmerkung zur Portleitung PD6 (Lautsprecherausgang):
Der Kondensator C7 (470 nF, Folie) dient der Entkopplung des Gleichspannungsanteils beim Anschluss eines dynamischen Lautsprechers. Das verringert Klickgeräusche und entlastet den Porttreiber. Bei Verwendung eines Piezo-Schallwandlers kann man hier auch eine Drahtbrücke setzen.
Anmerkungen zum Netzeingangsteil:
Die zu C2 parallel liegenden Widerstände R1/R2 bilden zusammen einen netzspannungsfesten 200-Kiloohm-Widerstand, über den sich C2 rasch entladen kann, wenn das Gerät vom Netz getrennt wird. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass beim erneuten Anschließen des Gerätes kein unnötig hoher Spitzenstrom durch die Gleichrichterdioden fließen kann. Nebenbei vermeidet man allzu prickelnde Überraschungen beim direkten Anfassen des Netzsteckers kurz nachdem dieser gezogen wurde.
Der 100-Ohm-Widerstand R3 in Reihe zu C2 dient ebenfalls dem Schutz der Gleichrichterdioden vor einer zu hohen Stromspitze im Moment des Einschaltens, falls C2 noch eine gegenläufige Restladung hatte. Durch diesen Widerstand fließen im regulären Betrieb nur etwa 30 mA Betriebsstrom. Da er jedoch ständig belastet wird, erschien es durchaus sinnvoll, hier eine mit 1 W belastbare Version zu verwenden. Dann erhitzt sich auch dieses Bauteil im Dauerbetrieb bei 20 °C Umgebungstemperatur nur auf etwa 35 °C (gemessen mit Strahlungsthermometer).
Die Sicherung F1 (315 mA, flink) dient als Schutzmaßnahme für den unwahrscheinlichen Fall, dass der Vorschaltkondensator einen dauerhaften Kurzschluss ausbildet. Dann würde durch den Gleichrichterkreis sowie durch R3 ein kurzzeitiger Strom von mehreren Ampere fließen, und dieser würde die Sicherung garantiert auslösen. Dieser Fall sollte eigentlich garnicht vorkommen, solange man für C2 einen echten und hochwertigen "X2"-Kondensator verwendet. Diese Kondensatoren sind intern so aufgebaut, dass sie nach einem Durchschlag sicher ausheilen und mit verminderter Kapazität weiter funktionieren. Da man aber nicht in so ein Ding reinschauen kann, und weil sich in letzter Zeit die Fälle von "gefälschten" Bauteilen häufen, ist es im Interesse der Sicherheit sicher keine schlechte Idee, eine Sicherung in den Stromkreis einzubauen, die dann im Fehlerfall ganz flink anspricht und den Stromkreis zuverlässig trennt. Auf den Einschaltstrom soll sie natürlich nicht ansprechen, und sie soll auch einigermaßen alterungsbeständig sein, deshalb wurde der Ansprechstrom mit 315 mA noch relativ hoch angesetzt.
Achten Sie bei den Kondensatoren C1 und C2 bitte unbedingt auf die Typbezeichnung "X2", eine Spannungsfestigkeit von 275 V und alle einschlägigen Prüfzeichen!
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Hinweise zum Nachbau
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"VORSICHT - NETZSPANNUNG!" Diese Schaltung arbeitet ohne
galvanische Trennung direkt am 230-V-Wechselstromnetz. Nachbau und Inbetriebnahme erfolgen auf
eigene Verantwortung. Messungen am geöffneten Gerät sollten nur
unter Verwendung von ausreichend isolierten Messgeräten durchgeführt werden.
Die Schaltung muss für den regulären Betrieb in ein geschlossenes
Kunststoffgehäuse nach Schutzklasse-II-Anforderungen eingebaut werden.
In der vorgestellten Ausführung ist das Gerät ausschließlich für
den Betrieb unter Wohnraumbedingungen geeignet.
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Für den Nachbau sollte unbedingt eine Platine nach dem vorgegebenen Layout (Schaltunterlagen) angefertigt werden. Insbesondere ist im Netzeingangsteil auf großzügige Isolationsabstände zu achten. Schließlich handelt es sich um ein Gerät, welches für Jahre permanent am Netz bleiben soll.
Die Abmessungen der vorgeschlagenen Platinen wurden gezielt auf den Einbau in ein Gehäuse vom Typ "TEKO D12" zugeschnitten. Dieser Gehäusetyp ist recht preiswert. Zum Lieferumfang gehört eine passende dunkelrote Filterscheibe. Leider ist das Modell "D12" bei einem bekannten Versender [2] gegenwärtig nur in einer poppig mausgrauen Variante erhältlich...
"Von der Consumerelektronik lernen!" Wenn man von der Consumerelektronik eines abgucken kann, dann ist es die Kunst der Täuschung. Gehäuse aus preiswertem Polystyrol oder Polystyrol-Verschnitt (ABS) lassen sich ganz wunderbar im Airbrush-Verfahren mit einer Wunschfarbe auf Acrylbasis lackieren. Am besten zweischichtig vorgehen, das ergibt ein edles Finish.
Das Netzkabel sollte über eine Steckverbindung angeschlossen sein (siehe auch Bild 1b). Knickschutz und Zugentlastung nicht vergessen!
Der Bedienknopf Ta1 muss selbstverständlich die erforderliche Isolation aufweisen. Er sollte bündig und sicher mit der Kunststoffwand des Gehäuses abschließen und darf nicht wackeln. Gegebenenfalls kann er, wie auch die Blende für den Lautsprecher, mit Heißkleber von der Gehäuseinnenseite fixiert werden.
Innerhalb des Gehäuses sollten auf jeden Fall einige Millimeter Abstand zwischen Lautsprecher/Taster und den Bauteilen auf der Platine verbleiben. Beim Einbau einer Piezo-Scheibe als Lautsprecher ist zu beachten, dass die blanke Metallfläche auf Netzspannungspotenzial liegen könnte, also darf sie keinesfalls von außen berührbar sein. Hier hat sich die Variante mit einer zweckentfremdeten Entlüftungsblende (siehe Stückliste) als elegante Lösung bewährt. Noch ein Hinweis: Die erzielbare Lautstärke hängt stark von der Art und Weise des Einbaus und eventuellen Resonanzeffekten ab. Ein dynamischer Speaker (der die Portleitung aber auch bis an die Grenze belastet), ist im allgemeinen lauter, als eine Piezo-Kapsel.
Der Reset-Taster Ta2 wird nicht nach außen geführt, sondern möglichst flach auf die Unterseite der Platine gelötet. Das "Lötauge" in der gedachten Kreuzungslinie zwischen den vier Anschlüssen entspricht der späteren Position der Tastfläche. Das Lötauge ist als Markierungshilfe für die Gehäusebohrung gedacht, über die man später nur die Tastfläche des Tasters erreichen soll, nicht aber etwaige spannungsführende Leiterbahnen. (Wenn man das nur pi-mal-Daumen macht, liegt das Loch garantiert daneben, ich weiß, wovon ich spreche!!!). Die Lötpunkte sind für Miniaturtaster (Kurzhubtaster) in der flachsten Bauform vorgesehen (siehe Hinweis in der Stückliste).
Die Qualität der Lötstellen ist im Bereich der Parallelstabilisierung von höchster Bedeutung. Eine "kalte" Lötstelle in der Reihenschaltung von D5-D12, und die Betriebsspannung könnte für den GoldCap und den Controller empfindlich hoch werden... Daher bitte die Lötstellen genau prüfen und vor allem kein bleifreies Lötzinn verwenden.
Apropos "bleifreies Löten": Das müssen wir nicht haben. Wer seine Geräte nicht im großen Maßstab weiterverkauft, kann natürlich weiterhin vollkommen legal das gute Sn60Pb40 einsetzen. Probleme mit der Langzeitstabilität und der erhöhten Löttemperatur sprechen eindeutig gegen den Einsatz von Bleifrei-Legierungen. Das Argument "Arbeitssicherheit" will auch nicht wirklich punkten, denn gesundheitsschädlich sind beim Löten vor allem die Flussmitteldämpfe. Und ebenso selbstverständlich ist es für den routinierten Bastler, dass er bei längeren Lötarbeiten für gute Belüftung sorgt, oder eine Absauganlage verwendet.
In Bereichen, wo Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von elektronischen Systemen eine Rolle spielt (Medizin, Luftfahrt, Industrie, Militär), sind bleihaltige Lötmittel übrigens auch weiterhin die erste Wahl. Sollte das nicht zu denken geben...?
Meine Meinung dazu: In der noch vorherrschenden Betrugs- und Verschwendungswirtschaft mit ihrer überkommenen Wachstumsideologie, einer verlogenen "Nachhaltigkeits"-Propaganda, und "Recycling-Kreisläufen", die keine sind, bedeutet nur das schnell kaputt gehende Produkt ein gutes Geschäft. Dieses Modell sollte schnellstmöglich durch einen vernünftigen und verantwortungsvolleren Umgang mit Ressourcen und Know-How ersetzt werden. Qualitativ hochwertige, langlebige, nachrüstbare und reparaturfreundliche Technik war zum Beispiel noch nie ein Umweltproblem. Es müsste darüber hinaus attraktive Pfandsysteme für jeglichen Elektroschrott geben. Elektronische Geräte müssen eine Mindesthaltbarkeit von 5 Jahren aufweisen. Bestimmte Anwendungen dürfen einen festgelegten Stromverbrauch nicht überschreiten und Standby-Funktionen, die einen nennenswerten Eigenstrombedarf haben, müssten für zivile Anwendungen ganz einfach verboten werden.
Hasenfüßige Aufbaustrategie: Wer den Dioden (oder den Lötstellen) nicht so recht über den Weg traut, kann auch erstmal nur den Netzeingangsteil inklusive D1-D13 bestücken. Alles andere, was einem bei Überspannung um die Ohren fliegen könnte oder einfach zu kostspielig für ein kleines Feuerwerk wäre, wird also erstmal weggelassen. Dann klemmt man ein Voltmeter an X2, schließt die Schaltung an das Netz an und prüft, ob die Spannung an X2 jetzt tatsächlich nur etwa 5,6 V beträgt. Wenn ja, wieder vom Netz trennen und entspannt weiterbestücken.
3,6-V-Stützbatterie (NiMH) statt GoldCap: Der GoldCap kann den Betrieb bei totalem Stromausfall noch ungefähr eine halbe Stunde aufrecht erhalten. Für eine deutlich längere Überbrückungszeit könnte man anstelle des GoldCap auch so einen kleinen 3,6-V-Akkupack (3 x NiMH-Knopfzelle, Beispiel siehe Stückliste) einsetzen. Vermutlich wird der Akku als elektrochemisches System niemals so lange halten und auch nicht ganz so eigensicher sein, wie ein GoldCap - daher habe ich diese Option auch nicht explizit im Platinenlayout vorgesehen und ich weise noch einmal ausdrücklich auf den experimentellen Charakter dieser Variante hin!
Die Anschlüsse eines NiCd- oder NiMH-Packs müssen mit angelöteten Drähten auf Rastermaß 5mm gebracht werden, der Akku wird dann am besten mit Heißkleber fixiert. Ansonsten ist kein Zusatzaufwand erforderlich, insbesondere keine spezielle Ladeschaltung. Der Ladestrom liegt aufgrund des geringen Spannungsgefälles und wegen der Parallelbelastung des Controllers immer nur bei wenigen mA.
Mit einem neuen 60mAh-Akku ließ sich der Controller in dieser Uhrenschaltung für zwei Tage am Laufen halten. Das reicht auch für den etwas ernsteren Netzstörfall.
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Programmierung
Das Programm für den Mikrocontroller steht für die private (nichtkommerzielle) Verwendung zusammen mit den anderen technischen Unterlagen und dem aktualisierten Layout im Downloadbereich der FA-Website zur Verfügung.Wichtiger Hinweis zur Programmversion BASCOM-AVR:
Das Programm wurde mit einer Version 1.11.8.x von BASCOM-AVR entwickelt und compiliert. Neuere Versionen von BASCOM-AVR (1.11.9.x) enthalten wieder einmal veränderte REGFILES mit den Definitionen zu Speicherbereichen und Registern der verschiedenen Controller. Offensichtlich kann der Compiler mit den neuen Definitionen in "ATtiny2313.DAT" keinen ganz so kompakten Code mehr erzeugen - das Programm wird einige Bytes zu lang und passt nicht mehr in den Flash-Speicher.
Mit der alten Version von ATtiny2313.DAT geht es jedoch. Wer das Programm nun unbedingt mit einer neueren Version von BASCOM-AVR compilieren will, muss ein wenig tricksen: Ältere Version von "ATtiny2313.DAT" besorgen, umbenennen und in das BASCOM-Verzeichnis (/Programme/MCS-Electronics/BASCOM-AVR) packen. Dann den Verweis $REGFILE im Programmcode entsprechend abändern und ganz normal mit der Einstellung "optimierter Code" compilieren. Die alte Version der Definitionsdatei für den ATtiny2313 ist jetzt auch im FA-Paket enthalten.
Oder das bereits compilierte Programm verwenden. Es kann mit einem beliebigen AVR-Programmer "geflasht" werden. Bitte darauf achten, dass sowohl der Programmcode (.BIN) als auch die Tabelle mit den EEPROM-Inhalten (.EEP) in den Chip geschrieben werden. Mit TwinAVR wird eine EEPROM-Datei praktischerweise automatisch nachgeladen, auch wenn man nur die Binärdatei anbietet.
Die Fusebits sollten wie untenstehend gesetzt werden. Insbesondere sind BODLEVEL 2,1,0 auf die Werte 1,1,0 zu setzen, damit der Controller auch bei sehr flachem Spannungsanstieg noch selbstständig hochstarten kann (z.B. nach längerer Abstinenz vom Netz).
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Bild 2: Korrekt gesetzte Fusebits für den Uhrenwecker (Screenshot: TwinAVR) |
Programm
Zeitbasis
Die Zeitbasis wird durch eine von Timer1 interruptgesteuerte Programmroutine gebildet. Innerhalb dieser Routine findet auch das Weiterschalten der Sekunden, Minuten und Stunden und eine Prüfung der Alarmbedingungen statt. Durch das Aufrufen von Unterprogrammen wird die Genauigkeit der Uhr also nicht beeinflusst. Die Interrupt-Routine wird mit einem hohen Teilerfaktor aus der Taktfrequenz des Mikrocontrollers abgeleitet. Aus diesem Grund ist die Genauigkeit des Sekundentaktes recht gut, obwohl der Quarz hier ohne zusätzliche Abgleichmaßnahmen betrieben wird. Die Quarzfrequenz von 3,2768 MHz ist für einen heutigen Mikrocontroller recht niedrig angesetzt, reicht aber im Hinblick auf die Anforderungen dieses Programms vollkommen aus. (Im Vergleich zum häufig verwendeten 4-MHz-Quarz verbraucht unser ATtiny bei 3,27 MHz doch glatt noch ein paar Mikrowatt weniger...!)Anzeige-Multiplex, Dimmfunktion und Alarmton
Die 8 Kathoden (a,b,c,d,e,f,g und Dezimalpunkt) und die 4 Anoden der zusammengefassten Siebensegmentanzeigen werden über 12 Portleitungen des Controllers (PB0-PB7 / PD0-PD3) im Multiplexverfahren angesteuert. Die Vorwiderstände wurden so dimensioniert, dass die Porttreiber des Controllers auch im Fehlerfall, wenn etwa eine Ziffer infolge eines Programmabsturzes dauerhaft angesteuert bliebe, nicht zuviel Strom abbekommen können. Das bedeutet: Hier brauchen wir mit Sicherheit keine zusätzlichen Schalttransistoren.Die Anzeigeroutine wird über Interrupt-Timer0 mehr als 2500 mal in der Sekunde aufgerufen. Damit erhalten wir auch dann noch eine angenehm flimmerfreie Zeitanzeige, wenn die Ziffern im Nachtmodus mit einem niedrigen Tastverhältnis von 1/32 angesteuert werden. Darüber hinaus kann diese schnelle Interruptroutine einen frequenzstabilen pulsierenden Alarmton erzeugen, und ganz nebenbei überwacht sie noch den Porteingang PD4. Wenn dieser bei einem Stromausfall auf LOW-Pegel abfällt, wird als Energiesparmaßnamhe das Display komplett abgeschaltet.
Sonstige Uhrenlogik
Das Hauptprogramm der Uhr hat nicht viel zu tun. Es wartet die meiste Zeit darauf, dass der Nutzer die eine Taste drückt, um in eines der Menüs zu verzweigen. Eine genaue Funktionsbeschreibung der Unterprogramme würde hier zu weit führen. Das Programm wurde aber vollständig in BASCOM-AVR-Basic geschrieben und der Quellcode ist reichlich kommentiert.Nach oben
Kurzanleitung zum LED-Uhrenwecker
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Messung der Leistungsaufnahme
Es war auch mit einem nicht ganz billigen Verbrauchsmessgerät kaum möglich, die Anschlussleistung dieses Gerätes genauer zu bestimmen. Der Eingangs- und der Vorschaltkondensator dieses Gerätes produzieren fast nur sogenannte "Blindleistung", was an einfachen Messgeräten zu völlig unsinnigen Anzeigewerten führt.Über den Umweg einer Wechselspannungsmessung an R3 ließ sich der in das Gerät fließende Effektivstrom genauer bestimmen. Hier kam in allen Betriebsarten ein Strom von etwa 30 mA zusammen. Somit war die Faustformel zur Kondensatorberechnung wirklich nicht schlecht. Verrechnet man diesen Strom mit dem Spannungsniveau der Parallelstabilisierung von gut 6 V, so kommt man zu dem erfreulichen Ergebnis: Das Gerät setzt nur etwa 180 mW an elektrischer Effektivleistung um.
Hochgerechnet auf ein Jahr Betriebsdauer würde das einem Energiebedarf von immerhin 1,576 kWh entsprechen. Bei einem Strompreis von nunmehr 20 Ct/kWh entstehen durch diesen Wecker jährliche Betriebskosten von sage und schreibe 32 Cent. Diesen Luxus können wir uns auch nach der bevorstehenden Verzehnfachung des Strompreises noch gönnen.
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Erfahrungen und Anmerkungen
In meinem Einflussbereich laufen drei Exemplare dieses Weckers seit mehr als einem Dreivierteljahr im Dauerbetrieb. Was soll ich sagen, bisher gab es keinen Anlass für Reklamationen.Wegen der recht geringen Betriebsströme für das Display darf man wohl auf eine lange Lebensdauer hoffen. Nach der bisherigen Betriebsdauer war jedenfalls im Vergleich zu einem Gerät mit brandneuen Siebensegmentanzeigen überhaupt kein Helligkeitsunterschied erkennbar. (Hinweis: Um größere Helligkeitsunterschiede zwischen den einzelnen Ziffern zu vermeiden, sollten alle vier SA08-11 dieselbe Chargennummer tragen, damit die dort verwendeten LEDs, falls überhaupt, in etwa dieselben Alterungseffekte haben.)
Ich habe das Gerät über längere Zeiträume in unmittelbarer Nähe zu notorischen Netzstörern (Kühlschrank, Neonlampen, Staubsaugermotoren) betrieben. Dabei kam es kein einziges Mal zu Programmabstürzen oder anderen seltsamen Effekten. Der Netzeingangsteil scheint in seiner jetzigen, eher minimalistischen Auslegung also einen ausreichenden Schutz zu bieten. Unter wirklich üblen Netzbedingungen könnten weitere Schutzmaßnahmen, wie etwa Filterdrosseln, VDRs oder auch Transils im Niederspannungsbereich erforderlich sein.
Nach der letzten Programm-Revision kam es nie wieder zu rätselhaften Fehlern, die auf das Programm zurückzuführen gewesen wären. Der Wecker zeigt bei korrekt gesetzten Fusebits auch ein sehr robustes "Kaltstartverhalten". Auf den Reset-Taster Ta2 sollten wir trotzdem nicht verzichten. Falls das Programm aus irgendeinem Grund ultimativ aussteigen sollte (...und das WIRD garantiert passieren, nachdem man den Taster gerade abgeschafft hat...), so müsste der Wecker entweder eine gute halbe Stunde vom Netz getrennt werden (GoldCap leerlaufen lassen), oder wir müssten das Gerät aufschrauben und von Hand den Reset-Pin 1 kurz auf Masse legen (bitte vorher Netzstecker ziehen!).
DCF77-free! Dieser Wecker lässt sich von keinem staatlichen Zeitzeichensender vorschreiben, was denn nun die rechte Zeit sei. Aber auch auf die Langzeitstabilität der genauen Netzfrequenz sollte man sich in Zukunft lieber nicht verlassen. In einem dezentralisierten Energienetz braucht man nicht zwangsläufig eine weiträumig synchronisierte Netzfrequenz... Für diesen Wecker gilt daher: Wechselspannung 200 bis 250 Volt, sinusähnlich und mit einer Frequenz irgendwo zwischen 40-60 Hz, passt schon!
Der Zeitgeber läuft immer mit der Präzision des eigenen Quarzoszillators, und die ist bereits in der von ATMEL vorgeschlagenen Standardbeschaltung (siehe [3]) recht gut - mit den geringfügig abgewandelten Werten für die Lastkapazitäten C11/C12 und dem Timerwert in der Firmware betragen die Abweichungen nur noch wenige Sekunden pro Monat. Andere Quarze könnten durch Anpassung des Timerwertes selbstverständlich auch verwendet werden. Hinweise dazu befinden sich im Quellcode, welcher zusammen mit den Binaries und sonstigen Schaltunterlagen als ZIP im FA-Downloadbereich zu finden ist.
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Links
[1] Wissenswertes über Erl... Kondensatornetzteile: www.grosse-elektronik.de/das-elko/trlosestr/index.html[2] Leuchtanzeigen Typ SC-08A "high efficiency red" – Datenblatt und Lieferquelle z.B. Reichelt: www.reichelt.de
[3] Datenblatt ATtiny 2313, Atmel Corporation: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2543.pdf
[4] FA-Download (Platinenversion 1.0), Stichwort "Energieeffiziente Uhr": www.funkamateur.de