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 | Hardware | Details | Nachbau | Software | Bedienung | Energiebilanz | Erfahrungen | Links | Index
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Bild 1a: Kein Elektrosmog am Kopp, kein unnötiger Stromverbrauch, so geht's auch! |
| Bild 1b: Hello Kitty! |
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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 scheinbar unwiderstehliche Anziehungskraft.
In jedem Fall generieren solche Schrottgeräte zusätzliche Rohstoff- und
Energiekosten, und spätestens da hört der Spaß auch schon wieder auf.
Für den Betrieb einer elektronischen Uhr mit einer Leuchtanzeige wird aber nur recht wenig Leistung benötigt. Der eigentliche Stromfresser sind die Extrafunktionen, und ein konventionelles Transformatornetzteil muss selbstverständlich so ausgelegt sein, dass es diesen zusätzlichen Strombedarf notfalls auch dauerhaft decken könnte. Das bedeutet nun aber, dass der Trafo für den Normalbetrieb hoffnungslos überdimensioniert ist. Er verbringt die meiste Zeit praktisch im Leerlauf und gibt nur etwa 30 % der zugeführten Leistung tatsächlich an die Uhrenschaltung weiter - der Großteil wird in magnetische Streufelder und Wärme umgesetzt.
Da gibt es nichts zu beschönigen, das bedeutet einfach nur: sinnlose Energieverschwendung, herausgeschmissenes Geld und eine permanente Brandgefahr. Wieder so ein typisches 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 verdammt helle Ziffern von ca. 20 mm Höhe, die selbst unter Verwendung einer starken Filterscheibe bei Tageslicht noch aus mehreren Metern Entfernung gut ablesbar sind.
Eine vierstellige Zeitanzeige würde allein und für sich mit maximal 150 mW an elektrischer Primärleistung auskommen. Klar, dass hier noch weitere Verluste durch Vorwiderstände und Treiberschaltungen dazukommen - 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 folgende 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 garnicht mehr verwegen, dass ein Wecker mit Leuchtanzeige nur etwa 1/4 W an elektrischer Leistung umsetzen soll. Um es vorweg zu sagen: Diese Zielvorgabe wurde schließlich sogar noch 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: So ein Kondensatornetzteil bietet keine galvanische Trennung zum Netz. Alle Schaltungsteile können gegenüber Netzerde ein mehr oder weniger gefährliches Potenzial, bis hin zur vollen Netzspannung, aufweisen. Die Schaltung darf also keine elektrisch durchverbundenen Schnittstellen zur Außenwelt haben. Das Gehäuse und alle Bedienelemente müssten eine Isolation nach Schutzklasse-II-Anforderungen aufweisen. Diese Anforderungen sind bei einem Wecker recht einfach zu erfüllen - wofür gibt es Kunststoffgehäuse und isolierende Schalter und Taster (siehe Bild vom geöffneten Gerät)!
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Für den Betrieb einer elektronischen Uhr mit einer Leuchtanzeige wird aber nur recht wenig Leistung benötigt. Der eigentliche Stromfresser sind die Extrafunktionen, und ein konventionelles Transformatornetzteil muss selbstverständlich so ausgelegt sein, dass es diesen zusätzlichen Strombedarf notfalls auch dauerhaft decken könnte. Das bedeutet nun aber, dass der Trafo für den Normalbetrieb hoffnungslos überdimensioniert ist. Er verbringt die meiste Zeit praktisch im Leerlauf und gibt nur etwa 30 % der zugeführten Leistung tatsächlich an die Uhrenschaltung weiter - der Großteil wird in magnetische Streufelder und Wärme umgesetzt.
Da gibt es nichts zu beschönigen, das bedeutet einfach nur: sinnlose Energieverschwendung, herausgeschmissenes Geld und eine permanente Brandgefahr. Wieder so ein typisches Beispiel, wo die Industrie die Zeichen der Zeit vollkommen verschlafen hat!
Die Lösung
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 verdammt helle Ziffern von ca. 20 mm Höhe, die selbst unter Verwendung einer starken Filterscheibe bei Tageslicht noch aus mehreren Metern Entfernung gut ablesbar sind.
Eine vierstellige Zeitanzeige würde allein und für sich mit maximal 150 mW an elektrischer Primärleistung auskommen. Klar, dass hier noch weitere Verluste durch Vorwiderstände und Treiberschaltungen dazukommen - 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 folgende 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 garnicht mehr verwegen, dass ein Wecker mit Leuchtanzeige nur etwa 1/4 W an elektrischer Leistung umsetzen soll. Um es vorweg zu sagen: Diese Zielvorgabe wurde schließlich sogar noch 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: So ein Kondensatornetzteil bietet keine galvanische Trennung zum Netz. Alle Schaltungsteile können gegenüber Netzerde ein mehr oder weniger gefährliches Potenzial, bis hin zur vollen Netzspannung, aufweisen. Die Schaltung darf also keine elektrisch durchverbundenen Schnittstellen zur Außenwelt haben. Das Gehäuse und alle Bedienelemente müssten eine Isolation nach Schutzklasse-II-Anforderungen aufweisen. Diese Anforderungen sind bei einem Wecker recht einfach zu erfüllen - wofür gibt es Kunststoffgehäuse und isolierende Schalter und Taster (siehe Bild vom geöffneten Gerät)!
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Bild 1c:
Innenleben des Uhrenweckers für direkten Netzbetrieb |
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Schaltunterlagen Uhrenwecker
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 (unkritisch, 220µF...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 auf die Typbezeichnung "X2", eine Spannungsfestigkeit von 275 V und authentische 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 hier um ein Gerät, welches für Jahre permanent am Netz bleiben soll.
Unter Punkt 3 der Schaltunterlagen habe ich den Bestückungsplan und Stückliste in einer Übersichtsgrafik zusammengefasst. Ist, wie ich finde, eine praktische Angelegenheit für den Nachbau. (Im Download-Paket unter [4]) gibt's die Seite nochmal als PDF.)
Die Abmessungen der vorgeschlagenen Platinen wurden gezielt auf den Gehäusetyp "TEKO D12" zugeschnitten. Dieses Gehäuse ist recht preiswert, und zum Lieferumfang gehört bereits eine passende dunkelrote Filterscheibe. Leider ist das Modell "D12" bei einem bekannten Versender [2] gegenwärtig nur in einer poppig mausgrauen Variante erhältlich... Die Kunststoffqualität scheint allerdings in letzter Zeit stärkeren Schwankungen unterworfen zu sein, das muss leider festgestellt werden. Wenn man das Gehäuse aber ohnehin lackieren will, ist diese Tatsache vielleicht zweitrangig, denn das TEKO D12 ist ansonsten wirklich sehr gut für diese Anwendung geeignet.
"Von der Consumerelektronik lernen!" Gehäuse aus preiswertem Polystyrol oder Polystyrol-Verschnitt (ABS) lassen sich im Airbrush-Verfahren direkt mit einer Wunschfarbe auf Acrylbasis lackieren. Ein sogenannter Primer wird normalerweise garnicht benötigt, zumal die Lösemittel aus der Farbe den Kunststoff oft schon leicht anlösen, sodass eine erste, dünn aufgetragene Farbschicht einen Haftgrund darstellt. Danach am besten einige Stunden Trocknungszeit einkalkulieren und schließlich eine oder besser zwei weitere Lackschichten aufbringen - das ergibt ein edles Finish! Zwei Farbvarianten habe ich am Anfang ja bereits zugegeben (Bild 1a/b).
Das Netzkabel kann über eine "Molex"-Steckverbindung oder eine Klemme mit 7,5mm-Rastermaß angeschlossen werden (siehe auch Bild 1c). Knickschutz und Zugentlastung bitte 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 müssen auf jeden Fall einige Millimeter Abstand zwischen Lautsprecher/Taster und den Bauteilen auf der Platine verbleiben. (Also vor der Heißkleber-Orgie mal testen, ob's noch zusammenpasst...) Beim Einbau einer Piezo-Scheibe als Lautsprecher wäre noch zu beachten, dass die blanke Metallfläche auf Netzspannungspotenzial liegen kann - sie darf also 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, denn er soll nur über ein Loch an der Gehäuse-Unterseite erreichbar sein. Dazu wird ein Miniaturtaster (Kurzhubtaster) in der flachsten Bauform (siehe Hinweis in der Stückliste) auf die Unterseite der Platine gelötet. Das "Lötauge" in der gedachten Kreuzungslinie zwischen den vier Anschlüssen entspricht genau der späteren Position der Tastfläche, es ist also eine praktische Markierungshilfe für diese Gehäusebohrung.
HINWEIS: Mit der neueren Firmware ist das Autoreset-Verhalten doch recht zuverlässig, sodass wir in der Regel auf diesen Taster ganz verzichten können. Wer dabei ein ungutes Gefühl hat, kann den Taster ja auf die Oberseite der Platine löten, dann müsste das Gehäuse eben kurz geöffnet werden, falls es doch mal zu einem Totalabsturz kommt.
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 diese Lötstellen besonders gewissenhaft prüfen, und vor allem: kein bleifreies Lötzinn verwenden.
Apropos "bleifreies Löten": Das müssen wir nicht haben. Probleme mit der Langzeitstabilität und der erhöhten Löttemperatur sprechen eindeutig gegen den Einsatz von Bleifrei-Legierungen. Es ist kein Zufall, dass man überall dort, wo Zuverlässigkeit und Langlebigkeit gefragt sind (Medizintechnik, Luftfahrt, Industrie, Militär usw.) weiterhin auf bleihaltige Legierungen setzt.
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. Für einen Test der Parallelstabilisierung, die sozusagen die Lebensversicherung für den Controller darstellt, klemmt man nun ein Voltmeter an X2, schließt die Schaltung an das Netz an und prüft die Spannung an X2. Sie darf jetzt tatsächlich nur etwa 5,6 V Spitze betragen . Wenn dies der Fall ist, wieder vom Netz trennen und entspannt weiterbestücken.
3,6-V-Stützbatterie (NiMH) statt GoldCap: Der GoldCap kann den Betrieb bei totalem Stromausfall für 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 so ein 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 weise noch einmal ausdrücklich auf den experimentellen Charakter dieser Variante hin! Vorsicht insbesondere beim Löten eines vollgeladenen Akkus - hier können beachtliche Kurzschlussströme fließen.
Die Anschlüsse des NiMH-Packs müssen mit angelöteten Drähten auf Rastermaß 5mm gebracht werden, der Akku wird dann am besten mit Heißkleber auf der Platine 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.
In einem Versuch mit einem neuen, erstmals vollgeladenen 60mAh-Zellenpack ließ sich die Uhr etwa zwei Tage am Laufen halten. Das sollte auch für den etwas ernsteren Netzstörfall reichen...
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Programmierung
Das Wecker-Programm steht für die private (nichtkommerzielle) Verwendung zusammen mit einem praktischen Lageplan und dem aktualisierten Layout beim FUNKAMATEUR [4] zum Download zur Verfügung.Das überarbeitete Programm ("Version 1.1, 20090731") lässt sich nun doch mit aktuellen Versionen des BASCOM-AVR-Compilers (neuer als 1.11.9.x) compilieren, ohne dass umständliche Tricks zur Speicherersparnis notwendig wären. Zum Compilieren reicht in diesem Fall schon die Demo-Version von BASCOM-AVR.
Flash und EEPROM
Das fertig compilierte Programm und die EEPROM-Tabelle mit den Siebensegmentcodes lassen sich mit TwinAVR in einem Rutsch in den ATtiny2313 brennen - hier einfach die Dateien mit der Endung ".BIN" und .EEP verwenden. Die Dateien mit der Endung ".HEX" enthalten dieselben Informationen im Format Intel-HEX. Dieses wird z.B. von AVR-OSP bevorzugt.Fusebits
Die Fusebits sind folgendermaßen zu setzen:Ext.: 0xFF / High: 0xD3 / Low: 0xCE
... oder unter TwinAVR einfach nach unten stehendem Screenshot!
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Bild 2: Korrekt gesetzte Fusebits für den Uhrenwecker (Screenshot: TwinAVR) |
Programmstruktur
Zeitbasis
Die Zeitbasis wird durch die 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 schon relativ 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 also 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 die schnelle Interruptroutine einen frequenzstabilen pulsierenden Alarmton erzeugen, und ganz nebenbei überwacht sie noch den Porteingang PD4, der bei Stromausfall auf LOW-Pegel abfällt, um als Energiesparmaßnahme das Display komplett abzuschalten.
Sonstige Uhrenlogik
Das Hauptprogramm der Uhr hat nicht viel zu tun. Es betreibt den Sekundenblinker und wartet ansonsten die meiste Zeit darauf, dass der Nutzer den Knopf drückt, um in eines der Menüs zu verzweigen. Eine genaue Funktionsbeschreibung der Unterprogramme würde hier zu weit führen. Das Programm wurde vollständig unter BASCOM-AVR 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 etwas genauer bestimmen. Hier kam nun in allen Betriebsarten ein fast gleichbleibender Strom von ungefähr 30 mA zusammen. Das ist auch genau der Wert, den wir nach der Faustformel zur Kondensatorberechnung erwartet haben - sehr schön. Verrechnet man diesen Strom mit dem Spannungsniveau der Parallelstabilisierung von gut 6 V, so kommt man zu dem erfreulichen Ergebnis: Dieses Gerät setzt tatsächlich nur etwa 180 mW an elektrischer Effektivleistung um.
Hochgerechnet auf ein Jahr Betriebsdauer würde das einem Energiebedarf von immerhin 1,576 kWh entsprechen. Nun ja - 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 einer Verzehnfachung des Strompreises noch gönnen...
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Erfahrungen und Anmerkungen
Update: Sommer 2009Einige Exemplare dieses Weckers sind in meinem Bekanntenkreis seit fast 2 Jahren im Dauereinsatz. Hier gab es definitiv keine Probleme. Etliche Platinensätze sind inzwischen an interessierte Bastler gegangen. Die Rückmeldungen waren durchweg positiv und ich freue mich natürlich auch über die entzückenden Beweisfotos...
In einem rätselhaften Fall war die Primärsicherung eines Weckers, scheinbar ohne konkreten Grund, durchgebrannt. Sicherheitshalber wurden neben der Sicherung auch gleich noch alle Dioden im Gleichrichterkreis getauscht. Seitdem läuft auch dieser Wecker, als sei nichts gewesen. Der Controller hatte keinen Schaden genommen, was schon für die Robustheit der Parallelstabilisierung spricht.
Überhaupt: Es kann nicht schaden, bei der Auswahl der Dioden auf Qualität zu achten. Gut möglich, dass selbst diese Bauteile mittlerweile "gefälscht" werden!
Display: Alterungserscheinungen sind bei diesen niedrigen LED-Strömen sicher kein Thema. Geräte, die über ein Jahr liefen, zeigten im Vergleich zu einem neu aufgebauten Wecker überhaupt keinen Helligkeitsunterschied. (Nun ja, nach zehn Jahren, sofern der ATtiny das mitmacht, wissen wir mehr...) Eine "Fleckigkeit", also permanente Helligkeitsunterschiede zwischen den einzelnen Ziffern, kann man vermeiden, indem immer vier SA08-11 aus derselben Charge eingesetzt werden.
Die absolute Helligkeit des Displays muss nicht unbedingt vom aktuellen Ladezustand des GoldCap abhängen - manchmal ist auch einfach die Filterscheibe etwas zu dunkel geraten.
Netzstörungen: Der Netzeingangsteil hat sich in seiner minimalistischen Auslegung tatsächlich als recht robust erwiesen. Unter wirklich üblen Netzbedingungen wären weitere Schutzmaßnahmen, wie etwa Filterdrosseln, VDRs oder auch Transils im Niederspannungsbereich sinnvoll, falls es nicht gelingt, die Ursache ausfindig und unschädlich zu machen. Einen Computer würden Sie doch auch nicht wissentlich an einem von Störungen verseuchten Netz betreiben wollen, oder?!
Dass der Wecker seinerseits effektiv das Netz stört, ist unwahrscheinlich. Im Gegenteil, durch seine kapazitive Last werden die überwiegend vorhandenen induktiven Verbraucher immerhin ein wenig kompensiert...
Programm: Nach den letzten Programm-Revisionen (20080328, 20090731) kam es nie wieder zu rätselhaften Fehlern, welche auf das Programm zurückzuführen gewesen wären. Auch das Kaltstartverhalten des Weckers ist bei korrekt gesetzten Fusebits sehr zuverlässig. Ich persönlich tendiere schon fast dazu, den Reset-Taster Ta2 ganz wegzulassen. Als Kompromiss kann man den Taster aber auch auf die Oberseite der Platine löten. Falls das Programm tatsächlich einmal ultimativ aussteigen sollte, dann kann der Fachmann das Gerät immernoch aufschrauben und den Taster betätigen. Ansonsten müsste man eben den Wecker eine Dreiviertelstunde vom Netz nehmen, bis der GoldCap komplett leergelutscht ist - und danach einen Kaltstart versuchen. Auch keine Katastrophe. Bisher ist es übrigens noch nie passiert, dass der Controller einen echten Schaden oder das Programm einen echten Bitfehler abbekommen hätte.
DCF77-free! Der Wecker lässt sich von keinem staatlichen Zeitzeichensender vorschreiben, was denn nun die rechte Zeit sei. Auch die Langzeitstabilität der Netzfrequenz spielt für ihn keine Rolle. Ihm genügt eine Wechselspannung von 200-250 Volt, sinusähnlich und mit einer Frequenz irgendwo zwischen 40-60 Hz. Die Zeitbasis läuft immer mit der Präzision des eigenen Quarzoszillators, und die ist in der hier eingesetzten Schaltung schon recht gut - mit geringfügig abgewandelten Werten für die Lastkapazitäten C11/C12 und dem korrigierten Timerwert in der Firmware betragen die Abweichungen wenige Sekunden pro Monat. Selbstverständlich könnte das Programm auch für andere Taktfrequenzen umgeschrieben werden. Hinweise dazu befinden sich im Quellcode, welcher zusammen mit den Binaries und den Schaltunterlagen der Erstveröffentlichung als ZIP-Datei unter [4] zu finden ist.
Ach ja, ich hab' auch zu dem Projekt ein paar Bausätze auf Lager.
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[1] Wissenswertes über Erl... Kondensatornetzteile: www.grosse-elektronik.de/das-elko/trlosestr/index.html[2] Leuchtanzeigen Typ "SA 08-11", Lieferquelle und Datenblatt von Reichelt: www.reichelt.de
[3] Datenblatt ATtiny 2313, Atmel Corporation: http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2543.pdf
[4] Erstveröffentlichung "Energieeffizienter Uhrenwecker mit Leuchtanzeige", FUNKAMATEUR 8/08, S. 842,
Download Layout und Programm: www.funkamateur.de