Energieeffizienter Uhrenwecker mit Leuchtanzeige


Wie wär's denn zur Abwechslung mal mit einer LED-Uhr, die nicht besonders viel, sondern besonders wenig Strom verbraucht? Hier mein Vorschlag für einen energieeffizienten Uhrenwecker mit rot leuchtender LED-Anzeige, durchdachter Ein-Knopf-Bedienung - und einem Leistungsbedarf von weniger als 0,25 Watt.


Einleitung | Prototyp | Hardware | Details | Nachbau | Firmware | Bedienung | Energiebilanz | Erfahrungen | Links | Index

Mustergerät des energieeffizienten netzbetriebenen Uhrenweckers mit Leuchtanzeige.
Bild 1a:

Kein Elektrosmog am Kopp,
kein unnötiger Stromverbrauch,
so geht's doch auch!



Bild 1b:

Variante 'Hello Kitty'!


Hier ist sie, die sehnlichst erwartete pinkfarbene Variante ...


Das Problem

Uhrenwecker mit Leuchtanzeige bekommste bei einschlägigen Elektronikverramschern nachgeschmissen. Allerdings oft nur als Kombigeräte mit mehr oder weniger geistreichen Gimmicks, wie etwa einem billigen Radioteil, einer Spielzeug-Wetterstation oder einer schlecht lesbaren Zeitprojektion. Diese Extras scheinen für den geizig-geilen Konsumdeppen eine scheinbar unwiderstehliche Anziehungskraft zu haben. In jedem Fall generiert dieser Elektroschrott jede Menge Rohstoff- und Energiekosten, und da hört der Spaß auch schon wieder auf.
Für den Betrieb einer elektronischen Uhr mit Leuchtanzeige wird aber dank moderner LEDs nur recht wenig Leistung benötigt. Der eigentliche Stromfresser sind die Extrafunktionen, und wenn wie üblich ein konventionelles Trafonetzteil verwendet wird, dann muss dieses so ausgelegt sein, dass es den zusätzlichen Strombedarf notfalls dauerhaft decken könnte, ohne gleich durchzubrennen. Im Normalbetrieb entstehen schon an dieser Stelle unnötige Leerlaufverluste - ein Großteil der zugeführten Energie 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 einmal nicht zuviel versprochen. Schon mit wenigen Milliampere Treiberstrom pro Segment erhalten wir verdammt helle Ziffern von ca. 20 mm Höhe. Diese Anzeige ist selbst unter Verwendung einer starken Filterscheibe bei Tageslicht noch aus mehreren Metern Entfernung gut abzulesen.
Eine vierstellige Zeitanzeige würde bei voller Helligkeit an allen Segmenten mit maximal etwa 150 mW an elektrischer Primärleistung auskommen. Klar, dass 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 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!

Sparsamkeit und Langlebigkeit standen bei dieser Lösung im Vordergrund. 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 (entspricht nur 15 mW). Im Vergleich zur Leuchtanzeige ist der Leistungsbedarf des Controllers also schon fast zu vernachlässigen.

Aufgrund der oben gemachten Überlegungen erscheint es also garnicht mehr verwegen, dass ein Wecker mit Leuchtanzeige nur etwa 1/4 W an elektrischer Leistung benötigen 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.
Vorteile: 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 sehr lesenswerten Artikel unter [1].
Wo kein Trafo vorhanden ist, entstehen keine magnetischen Wechselfelder, also praktisch kein "Elektrosmog". Wo kein Trafoblech vibrieren kann, entstehen keine Brummgeräusche.

Nachteil: Das Kondensatornetzteil bietet keine galvanische Trennung zum Netz. Alle Schaltungsteile können also gegenüber Netzerde ein mehr oder weniger gefährliches Potenzial, bis hin zur vollen Netzspannung, aufweisen. Eine Schaltung mit Kondensatornetzteil darf daher keine elektrisch durchverbundenen Schnittstellen zur Außenwelt haben. Das Gehäuse und alle Bedienelemente müssen 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


Netzuhr, Innenansicht


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Schaltunterlagen Uhrenwecker

1. Schaltplan des netzbetriebenen Uhrenweckers mit ATtiny2313
Schaltplan des netzbetriebenen Uhrenweckers mit LED-Anzeige und AVR-Mikrocontroller

2. Layout für Hauptplatine und Anzeigeplatine, (300dpi, Rechtsklick zum Herausspeichern)
Layout Hauptplatine und Anzeigeplatine Netzuhr


3. Bestückungsplan und Stückliste (Rechtsklick zum Herausspeichern - 1 Seite zum Ausdrucken)
Netzuhrenwecker Bestueckungsplan und Stueckliste


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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 liegt der Vorschaltkondensator, eine Schmelzsicherung und die Gleichrichterbrücke. Darauf folgt eine bewusst überdimensionierte Parallelstabilisierung, die dafür sorgt, dass die Kleingleichspannung für den Mikrocontroller auf jeden Fall klein bleibt...

Der Kondensator C2 ist der kapazitive Vorwiderstand. Hier muss aus Sicherheitsgründen ein netzspannungsfester sogenannter "X2"-Kondensator eingesetzt werden. 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 also recht gut und bietet noch ein wenig Leistungsreserve bei etwaiger Netz-Unterspannung.

Der Vorschaltkondensator speist 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 um einen "GoldCap" mit 5,5 V Spannungsfestigkeit. Sollte der Netzstrom 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 schon einmal ohne Netzanschluss getestet werden, indem man eine unstabilisierte Gleichspannung 6...12 V über einen Vorwiderstand 100 Ohm/1Watt anschließt. Zur Programmierung ("Flashen") des AVR ist kein ISP-Anschluss vorgesehen. Ich empfehle die Verwendung eines externen Programmiergerätes, zumal die Firmware ja nicht ständig geändert werden muss.
Wenn die Schaltung aus dem Netz versorgt wird, 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:
Der Entstörkondensator C1 (0,1µF/275V) ist direkt, also ohne Vorsicherung, parallel zum Netz angeschlossen. Damit sollte klar sein, dass an dieser Stelle selbstverständlich nur ein hochwertiger Sicherheitskondensator vom Typ "X2" eingesetzt werden darf. (Dieselbe Beschaltung findet man auch am Netzeingang vieler Schaltnetzteile und Netzfilter.)
C2 ist das eigentliche "Kondensatornetzteil". Hier kommt ebenfalls, wie schon erwähnt, nur ein ein hochwertiger "X2"-Typ (0,47µF/275V) infrage. Die zu C2 parallel liegenden Widerstände R1/R2 bilden zusammen einen netzspannungsfesten 200-Kiloohm-Widerstand, über den sich C2 rasch entlädt, wenn das Gerät vom Netz getrennt wird. Man vermeidet allzu prickelnde Überraschungen beim direkten Anfassen des Netzsteckers, kurz nachdem dieser gezogen wurde, und es kann beim erneuten Anschließen kein unnötig hoher Spitzenstrom durch die Gleichrichterdioden fließen.

Der 100-Ohm-Widerstand R3 in Reihe zu C2 dient ebenfalls dem Schutz der Gleichrichterdioden vor einer zu hohen Stromspitze im Moment des Einschaltens und vor Transienten, die bei einem mit Störungen verseuchten Netz eventuell den Entstör- und Vorschaltkondensator passieren könnten. 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). An dieser Stelle muss übrigens kein Metallfilmwiderstand eingesetzt werden, da der Widerstand keine Doppelfunktion als "Behelfssicherung" erfüllen muss.

Stattdessen gibt es die Sicherung F1 (315 mA, flink) 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. Es spielt bei dieser Schaltung übrigens keine Rolle, ob die Schmelzsicherung nun vor oder hinter dem Strompfad C2-R3-Graetz eingebaut ist.
Dass C2 niederohmig wird, sollte allerdings nie vorkommen, solange hierfür ein echter und hochwertiger "X2"-Kondensator eingesetzt wird. 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, erschien es eben doch sinnvoll, eine flinke Schmelzsicherung vorzusehen, die den Stromkreis zuverlässig trennt. Auf den Einschaltstrom soll sie natürlich nicht ansprechen, und sie soll auch alterungsbeständig sein, deshalb wurde der Ansprechstrom mit 315 mA noch recht 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

"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.

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 zusammen mit der Stückliste in einer Grafik zusammengefasst. Einfach mit einem x-beliebigen Grafikprogramm übernehmen, auf 1 DIN-A4-Seite skalieren und ausdrucken. Eine praktische Hilfe für den Nachbau der Schaltung am Arbeitstisch.

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 in der Regel nicht benötigt, da die Lösemittel aus der Farbe den Kunststoff oft schon leicht angreifen, sodass eine erste, dünn aufgetragene Farbschicht bereits einen guten Haftgrund darstellt. Danach am besten einige Stunden Trocknungszeit einkalkulieren und schließlich eine oder besser zwei weitere Farbschichten aufbringen - das ergibt ein edles Finish! Zwei Farbvarianten habe ich am Anfang ja bereits zugegeben (Bild 1a/b).


Das Netzkabel sollte am besten über eine Steckverbindung oder eine Klemme mit 7,5mm-Rastermaß angeschlossen sein (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 oft 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.


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 immer deutlicher gegen den Einsatz von Bleifrei-Legierungen. Es ist kein Zufall, dass man überall, wo die Zuverlässigkeit von Elektronik noch eine Rolle spielt (etwa in der Medizintechnik, Luftfahrt, Industrie, Militär usw.) weiterhin auf bleihaltige Legierungen setzt. Was wir hier bauen, ist ebenfalls kein Consumer-Schrott. Also Finger weg vom Bleifrei-Murks und lieber öfter mal lüften beim Löten... ;-)


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!
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 Wecker-Programm steht für die private (nichtkommerzielle) Verwendung zusammen mit Lageplan und aktualisiertem Layout als Download zur Verfügung. ([4],[5])

Das aktuelle Programm ("Version 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 noch einmal 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!

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 3,2768 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.

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Kurzanleitung zum LED-Uhrenwecker


Alarmzeit stellen
  • Langer Knopfdruck. Auf dem Display erscheint die Meldung ASET (= Stellen der Alarmzeit). Knopf wieder loslassen.
  • Die Stundenanzeige blinkt und kann durch mehrfaches Antippen des Knopfes gestellt werden. Warten (ca. 1,5 Sekunden).
  • Die Minutenanzeige blinkt und kann durch mehrfaches Antippen des Knopfes gestellt werden. Warten.
  • Die Alarmzeit wird übernommen und die Weckfunktion wird automatisch eingeschaltet. Dies wird durch einen permanenten Leuchtpunkt hinter der Minutenanzeige bestätigt.

Uhrzeit stellen

  • Langer Knopfdruck. Auf dem Display erscheint die Meldung ASET. Knopf weiter gedrückt halten. (Alarmstunden und Alarmminuten blinken.)
  • Auf dem Display erscheint SET (= Stellen der Uhr). Knopf loslassen.
  • Die Stunden und Minuten lassen sich in der gleichen Art und Weise stellen, wie die Alarmzeit (siehe oben).
  • Tipp: Sekundengenaues Stellen ist möglich, indem Sie eine genaue Zeitreferenz im Auge behalten und den Knopf bis zur nächsten vollen Minute gedrückt halten.

Alarm-Modus abfragen und ändern


Während der regulären Zeitanzeige können Sie durch einen kurzen Knopfdruck die aktuellen Alarm-Einstellungen prüfen. Es erscheinen im Abstand von etwa 2 Sekunden folgende Informationen auf dem Display:

AL – Anzeige der Alarmzeit – A_on
    oder
AL – Anzeige der Alarmzeit – AOFF

Durch Knopfdruck können Sie während der Anzeige von A_on oder AOFF zwischen beiden Zuständen umschalten und auf diese Weise die Weckfunktion ein- oder ausschalten. Die programmierte Alarmzeit wird dabei nicht verändert.
Wenn der Alarm eingeschaltet ist (Anzeige A_on), leuchtet zur Bestätigung auch während der normalen Zeitanzeige der letzte Dezimalpunkt hinter den Minuten.


Alarmfunktionen

Sobald die eingestellte Alarmzeit erreicht ist, ertönt der akustische Alarm ... Sie haben folgende drei Optionen:

Kurzer Knopfdruck
  • Akustischer Alarm verstummt sofort.
  • Auf dem Display erscheint kurz die Meldung SnZ (= Schlummer-Modus).
  • Der Wecker meldet sich nach 7 Minuten mit einem weiteren akustischen Alarm zurück ...

Eine Minute abwarten
  • Der Alarm verstummt nach einer Minute und es wird automatisch in den Schlummer-Modus umgeschaltet.

Langer Knopfdruck
  • Akustischer Alarm verstummt sofort.
  • Auf dem Display erscheint die Meldung OFF. Der Wecker wird sich erst in ungefähr 24 Stunden wieder melden.

jt2008

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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. Verrechnet man diesen Strom mit dem Spannungsniveau der Parallelstabilisierung von gut 6 V, so kommt man zu dem erstaunlichen Ergebnis: Das Gerät setzt nur etwa 180 mW an elektrischer Effektivleistung um.

Hochgerechnet auf ein Jahr Betriebsdauer würde das also einem Energiebedarf von ungefähr 1,576 kWh entsprechen.
Bei einem Strompreis von mittlerweile 20 Cent/kWh entstehen durch den Betrieb dieses LED-Weckers also jährliche Betriebskosten von sage und schreibe 32 Cent. Und selbst nach der bevorstehenden Verzehnfachung des Strompreises ist es immernoch bezahlbar!...


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Erfahrungen und Anmerkungen

Update: Sommer 2010

Der Wecker darf mittlerweile zu Recht als praxiserprobte Lösung bezeichnet werden. In meinem Umkreis sind drei Exemplare seit über zwei Jahren im Dauereinsatz. Hier gab es definitiv keine Probleme. Zahlreiche Platinensätze habe ich inzwischen an interessierte Bastler abgegeben. Diese Geräte liefen dem Vernehmen nach alle problemlos.

Ausfälle und Netzstörungen: Bisher sind mir nur zwei Fälle bekannt geworden, in denen die Primärsicherung angesprochen hatte. Einzelne Dioden waren offensichtlich kaputt gegangen und niederohmig geworden, wahrscheinlich durch Spannungsspitzen aus dem Netz. Die Sicherung erfüllte demnach ihren Zweck, sie sollte auch keinesfalls durch eine Drahtbrücke ersetzt werden! Controller und Display sind übrigens unbeschädigt geblieben. Nach Austausch der Sicherung und der Dioden liefen diese Wecker wieder problemlos.
Dabei ist der Netzeingangsteil schon robust ausgelegt. Damit trotzdem etwas kaputt geht, müssen Energien auf den Netzeingangsteil einwirken, die wahrscheinlich auch andere Geräte beschädigt hätten.
So etwas ist leider schlecht nachvollziehbar. In meinem Labor ließ sich kein einziger Wecker hardwaremäßig durch "Netz-Terror" zerstören. Es kam schlimmstenfalls zu Programmabstürzen, die aber interessanterweise fast immer zum Auto-Reset führten. Der Wecker verliert dann die einprogrammierten Daten, läuft aber ansonsten unbeeindruckt weiter. Wenn er sich einmal ultimativ "aufgehängt" haben sollte, gibts immernoch den Hardware-RESET.
Insofern muss ich meine frühere Einschätzung korrigieren: Der RESET-Taster ist doch nicht verzichtbar und sollte unbedingt von außen zugänglich bleiben!
Natürlich hätte auch ich am liebsten eine Wunderschaltung, die unzerstörbar ist und einen Wundercontroller, der sich auch von einem kleinen EMP nicht sonderlich beeindrucken lässt. Mit Variationen bei den Bauteilewerten oder zusätzlichen Siebdrosseln ist es aber im Rahmen der vorliegenden Schaltung nicht getan. Höherfrequente Störimpulse finden nicht nur über das Netzkabel, sondern anscheinend auch durch kapazitive oder induktive Kopplung ihren Weg in den Mikrocontroller. Und der energiesparende ATtiny2313 arbeitet nun einmal mit recht niedrigen Strömen; so ein System ist prinzipiell leichter zu beeinflussen, als etwa ein Radiowecker, der ein Vielfaches an Strom zieht.

Display: Alterungserscheinungen sind bei den niedrigen Strömen 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. Anscheinend hat der italienische Hersteller des oben genannten Gehäuses gewisse Probleme mit der Qualität seiner Kunststoffe...

DCF77-free!  Der Wecker lässt sich von keinem staatlichen Zeitzeichensender vorschreiben, was denn nun die rechte Zeit sei. Auch auf die europaweite Gleichschaltung und Langzeitstabilität der Netzfrequenz wird man sich in Zukunft wohl nicht mehr verlassen können. Der Wecker interessiert sich auch garnicht für die genaue Netzfrequenz. Ihm genügt eine Wechselspannung von 200-250 Volt, sinusähnlich zwischen 40-60 Hz. Damit sollten wohl alle Eventualitäten abgedeckt sein, solange es noch ein Wechselstromnetz gibt... ;-)
Die Präzision des eigenen Quarzoszillators ist in der hier eingesetzten Schaltung übrigens recht gut - mit geringfügig abgewandelten Werten für die Lastkapazitäten (C11,C12 = 33pF) und dem korrigierten Timerwert in der Firmware beträgt die Abweichung nur wenige Sekunden im 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] oder [5] zu finden ist.

Auch zu dem Projekt stelle ich auf Anfrage Bausätze zur Verfügung.

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Links

[1]    Wissenswertes über Erl... Kondensatornetzteile: www.grosse-elektronik.de/das-elko/trlosestr/index.html

[2]    Leuchtanzeigen Typ "SA 08-11", Lieferquelle und Datenblatt bei Reichelt zu finden: www.reichelt.de

[3]    Datenblatt ATtiny 2313, Atmel Corporation: http://www.atmel.com/Images/doc2543.pdf

[4]    Erstveröffentlichung "Energieeffizienter Uhrenwecker mit Leuchtanzeige", FUNKAMATEUR 8/08, S. 842,
       Download Layout und Programm: www.funkamateur.de

[5]    Direkter Download von "meinem" Server: netzuhr.zip



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