Uhrenwecker mit Leuchtanzeige bekommste bei einschlägigen Elektronikverramschern nachgeschmissen. Allerdings oft nur als Kombigeräte mit mehr oder weniger 'smarten' Gimmicks, wie etwa einem billigen Radioteil, einer Spielzeug-Wetterstation oder einer schlecht lesbaren Zeitprojektion. Diese Extras scheinen für den geizig-geilen Konsumdeppen eine unwiderstehliche Anziehungskraft zu haben. In jedem Fall generiert der 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
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