Aufbau und Prinzip des ELV Computer Timer

Elektronische Zeitschaltuhr (Teil 2)

Der hier vorgestellte ELV Computer Timer stellt eine elektronische 24-Stunden Zeitschaltuhr dar, die über die Woche programmierbar ist und mit ihren 20 Schaltzeiten und 4 voneinander unabhängigen Schaltausgängen wohl kaum noch Wünsche offen lässt. Der Name ELV Computer Timer resultiert aus der Tatsache, daß den Kern der Schaltung ein bereits fertig programmierter Mikrocomputerbaustein darstellt, der fast alle Funktionen der Schaltuhr überwacht, steuert und kontrolliert.

Allgemeines

Im Beitrag Elektronische Zeitschaltuhr: Aufbau und Prinzip des ELV Computer Timer (Teil 1) veröffentlichten wir den ersten Teil über die von uns entwickelte elektronische Zeitschaltuhr. Der hier vorliegende, abschließende Teil stellt nun die komplette, mit freundlicher Unterstützung von Texas Instruments noch erweiterte und verbesserte Schaltung mit Funktionsbeschreibung, Betriebsanleitung und Platinenlayouts vor.

Nachfolgend sollen die wichtigsten Eigenschaften des ELV Computer Timers aufgezeigt und kurz besprochen werden:

• Die Schaltuhr hat eine 4-stellige, 12 mm große, 24 Stunden LED-Anzeige,
• 4 voneinander unabhängige programmierbare Schaltausgänge, jeweils 2000 Watt bei 220 V / 50 Hz belastbar, insgesamt jedoch nicht über 16 A.
• 7 Tage-Funktion (Programmierung über eine Woche), d. h. die einzelnen Schaltausgänge können an einem oder mehreren Tagen aktiviert werden, mit wöchentlicher Wiederholung (z. B. jeden Dienstag um 7.30 Uhr einschalten und um 8.30 Uhr wieder ausschalten) oder auch jeden Tag,
• die Schaltuhr kann auf max. 20 Ein/Aus-Schaltzeiten programmiert werden. Bei ungünstiger Konstellation und Programmierung aller Schaltzeiten, kann es vorkommen, daß der Microcomputer einige Impulse der Netzsynchronisation bzw. der Quarzzeitbasis nicht mitbekommt. Dies würde dann zu einem leichten Nachgehen der Schaltuhr führen. Wir empfehlen daher, nicht mehr als 16 Schaltzeiten zu programmieren,
• einfache Eingabe (Programmierung) der Zeit, des Wochentages, der gewünschten Ausgänge sowie der Schaltfunktionen (Ein- oder Aus-Schaltzeit) mittels hochwertiger Eingabetastatur,
• alle programmierbare Daten sind abrufbar und können auf dem Display angezeigt werden,
• die Steuerung der Schaltuhr kann wahlweise über eine Netzsynchronisation 50 Hz oder 60 Hz oder über eine Quarzzeitbasis erfolgen,
• über eine eingebaute Batterie können über die Notstromversorgung Versorgungsspannungsausfälle von mehreren Stunden überbrückt werden.

Die Schaltuhr ist so aufgebaut, daß die Hauptplatine sämtliche zur Funktion der eigentlichen Uhr erforderlichen Bauelemente aufnehmen kann. Lediglich der Anschluß der Versorgungsspannung mit der 50 bzw. 60 Hz Synchronisation sowie die Relais müssen noch angeschlossen werden. Das Netzteil sowie alle zusätzlichen Funktionsgruppen wie Schaltausgänge mit Relais, Notstromversorgung mit Batteriespannungsüberwachung und die Quarzzeitbasis finden auf der zweiten, unteren Platine Platz. Zuerst wird nachfolgend eine genaue Bauanleitung mit einfacher, kurzer Schaltungsbeschreibung erfolgen, so daß jeder, der etwas Erfahrung im Bau von elektronischen Schaltungen hat, sicher zum Erfolg kommen wird.
Im Anschluß daran ist die Bedienung der Schaltuhr sowie die Eingabe (Programmierung) ausführlich mit einigen Beispielen beschrieben.

Funktionsbeschreibung

Die Zentraleinheit des »ELV Computer Timers« bildet der Microcomputerbaustein TMS 1122 von Texas Instruments. In ihm sind nahezu alle Funktionen, die zur Steuerung der Schaltuhr benötigt werden, vereint (Bild 1). Die Ausgänge 00 bis 07 und R0 bis R6 des TMS 1122 steuern die Treiber für die Anzeigen sowie die LEDs im Zeitmultiplex-Verfahren, wie es bereits im vorherigen Teil ausführlich beschrieben wurde. Die Ausgänge R 7 bis R 10 steuern über das Treiber-IC 8 die Relais an. Der noch verbleibende Treiber in diesem IC sowie die Bauelemente D 7, C 9 und R 13 werden normalerweise nicht benötigt. Diese Elemente und eine zusätzliche Brücke von Pin 1 des IC 8 zur Basis von T 1 sind nur erforderlich, falls nach einem Stromausfall die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit der Versorgungsspannung beim Wiedereinschalten ungünstige Werte annehmen sollte. Komplikationen ergeben sich jedoch auch dann normalerweise nicht, und wir empfehlen, diese Bauteile zunächst wegzulassen.

Sofern der ELV Computer Timer mit der vorgeschlagenen Quarzzeitbasis betrieben wird, ist der Widerstand R 11 ebenfalls fortzulassen. Hinzuzufügen ist die Diode D 9, wodurch der Microcomputerbaustein von 50 Hz auf 60 Hz umschaltet. Die Quarzzeitbasis besteht im Wesentlichen aus dem IC 3 des Typs MM 5369 sowie dem Schwingquarz mit der Frequenz 3, 579545 MHz, der mit den Kondensatoren C 6 und C 7 beschaltet ist. R 9 dient zum besseren Anschwingen des Oszillators. IC 3 teilt die Quarzfrequenz auf 60 Hz herunter. Mit C 6, der als Trimmerkondensator ausgeführt ist, kann die Frequenz (also auch die Ganggenauigkeit der Uhr) geringfügig nachgestellt werden.

Die Widerstände R 14 bis R 22 dienen als Vorwiderstände zur Strombegrenzung der Anzeigeneinheit und der LEDs. Das Eingabe-Tastenfeld besteht aus 20 hochwertigen Drucktasten mit drei verschiedenen Farben, deren Funktion auf einer der nächsten Seiten beschrieben wird. Die Tasten 0 bis 7 haben eine Doppelbelegung. Welche der beiden Funktionen jeweils zur Ausführung gelangt, ist dabei von der nachher gedrückten Taste abhängig.

Zum Abschluss der Funktionsbeschreibung soll noch kurz auf den Stromversorgungsteil mit der Notstromversorgung und der Batteriespannungs-Überwachung eingegangen werden (Bild 2). Es stehen hier zwei Spannungen zur Verfügung, die von einer Transformatorwicklung gespeist werden.
Die unstabilisierte Spannung von 12 V wird zur Versorgung der Anzeigeneinheit, der LED’s und der Relais benötigt.
Die zweite Spannung, die mit dem IC 1 und den Widerständen R 1 und R 2 auf ca. 9,5 V stabilisiert wird, gelangt über die Diode D 5 auf die Quarzzeitbasis und den TMS 1122. Eine weitere Besonderheit liegt darin, daß auch die Masseanschlüsse für die beiden Spannungen 9V und 12V getrennt ausgeführt sind, obwohl sie galvanisch miteinander verbunden sind. Durch diese Maßnahme werden Störungen, die von der Taktung der Anzeigeneinheit herrühren können, ausgeschaltet.

Kommen wir nun zur Notstromversorgung:
So lange die Spannung des IC 1 hinter der Diode D 5 einen Wert von ca. 9V nicht unterschreitet, ist die Diode D 6 gesperrt, da an deren unterem Punkt (Anode) ebenfalls eine Spannung von ca. 9V steht, die von der 9V Blockbatterie herrührt. Fällt die Netzspannung aus, übernimmt die Batterie die Versorgung des TMS 1122 sowie der Quarzzeitbasis, da die Diode nahezu verzögerungsfrei durchschaltet und die Spannung auf ca. 8V hält. Dies ist für den Betrieb ausreichend.

Die Anzeigeneinheit wird automatisch weitgehend deaktiviert, so daß nur eine schwache Anzeige sichtbar bleibt. Hierdurch wird die Gesamtstromaufnahme auf 20 bis 40 mA, je nach Betriebszustand, reduziert. Die Batteriespannungsüberwachung erfolgt mit dem IC 2 des Typs uA 741, das als Komparator geschaltet ist. An Pin 2 dieses IC’s liegt eine Spannung von ca. 4V. Punkt 3 liegt über R 8 an Masse so lange die Drucktaste nicht betätigt wird. Beim Drücken der Taste wird die Batterie mit dem Spannungsteiler R 7, R 8 belastet. Die halbierte Batteriespannung (R7 = R 8) gelangt auf Pin 3 des IC 2. Ist die halbe Batteriespannung größer als 4 V (UB also gleich 2x 4 V = 8 V), leuchtet die LED auf, andernfalls bleibt sie erloschen. Da die Batterie unter Belastung geprüft wird, empfehlen wir, den Test nicht unnötig häufig durchzuführen, er erlaubt aber eine gute Kontrolle des Batteriezustandes.

Zum Nachbau

Bevor der Lötkolben zum Nachbau dieser Schaltung in die Hand genommen wird, sollten die nachfolgenden Zeilen aufmerksam gelesen werden. Wir stellen unseren Lesern mit dieser Schaltung ein ausgereiftes und sorgsam erprobtes Gerät (Bild 3) vor, von dessen Funktionssicherheit wir überzeugt sind. Trotzdem weisen wir auf einige Besonderheiten hin.

Der Nachbau sollte in folgender Reihenfolge geschehen:
Als erstes sind die Drahtbrücken, dann die Widerstände, die Kondensatoren und danach die Haloleiter bis auf die IC’s und LED’s einzulöten. Diese Reihenfolge ist unbedingt einzuhalten, obwohl so mancher Hobby-Elektroniker kaum widerstehen kann, gleich zu Beginn ein IC, womöglich noch das große, etwas empfindliche, einzulöten. Wir raten dringend davon ab! Nun kommen die LED’s an die Reihe.

Am besten man legt ein Streichholz zwischen die Anschlußbeinchen, drückt die LED fest und lötet in möglichst kurzer Lötzeit vorerst nur ein Beinchen fest. Dann kommt die nächste LED an die Reihe. Sind alle LED’s befestigt, so kann jeweils das zweite Beinchen angelötet werden, da die erste Lötstelle inzwischen abgekühlt ist. Auf diese Weise wird eine thermische Überlastung der Bauelemente verhindert. Aus Sicherheitsgründen liegt jedem Bausatz eine zusätzliche LED von jeder Farbe bei, falls es trotz aller Vorsicht zu einem Defekt kommen sollte. Aus optischen Gründen vom Design her ist die Hauptplatine so ausgeführt worden, daß eine Frontplatte direkt, dicht über der Hauptplatine montiert werden kann, genau in 7mm Abstand. Wegen des geringen Abstandes ist es auch erforderlich, daß C 9, falls er überhaupt zum Einsatz kommt, liegend eingelötet werden muß.

Kommen wir nun zum schwierigsten Teil des Nachbaus:
Aus den eben erwähnten Gründen ist der Einsatz von IC-Sockeln nicht möglich. Es ist daher beim Einlöten der IC’s, besonders aber des großen IC’s, Vorsicht geboten. Die IC’s sind erst ganz zuletzt aus ihrer Verpackung zu nehmen und in die dafür vorgesehenen Bohrungen einzusetzen. Auf richtigen Einbau ist unbedingt zu achten, denn ein Auslöten vielbeiniger Bauelemente ist praktisch unmöglich, es sei denn, man besitzt hierfür Spezialgeräte, aber auch dann sind die Überlebenschancen der IC’s recht gering.
Beim Festlöten der einzelnen IC-Beinchen geht man so vor, daß zunächst jeweils nur zwei, schräg gegenüberliegende Beinchen bei möglichst kurzer Lötzeit festgelötet werden. Man sollte aber auch nicht zu vorsichtig sein, damit keinesfalls »Kalte Lötungen« entstehen. Nachdem die beiden ersten Beinchen von jedem IC angelötet sind und eine kurze Pause eingelegt ist, können die weiteren Beinchen befestigt werden, wobei unbedingt zwischen jeder Lötung eine Pause von mindestens einer Minute, eher länger, eingelegt werden muß. Außerdem ist es zweckmäßig, immer Beinchen festzulöten, die möglichst weit voneinander entfernt liegen. Auf diese Weise vermeidet man zuverlässig eine thermische Überhitzung der IC’s. Diese Prozedur ist zwar etwas langwierig, aber innerhalb einer halben Stunde ist sie erledigt und man kann zuversichtlich sein, daß die Schaltuhr auf Anhieb einwandfrei arbeitet.
Zum Abschluß werden die beiden Platinen im Abstand von 40 bis 45 mm über Abstandsbolzen oder -Rollen miteinander verschraubt. Danach müssen nur noch die elektrischen Verbindungen zwischen den beiden Platinen hergestellt und die Netzspannung angelegt werden.
Bevor jedoch die Endmontage durchgeführt wird, sollten alle Bauelemente nochmals auf ihre richtige Placierung auf der Platine kontrolliert werden, wobei besonders auf die richtige Polung von Elektrolyt- und Tantalkondensatoren und bei Dioden zu achten ist (1N 4148 = der dicke gelbe Ring kennzeichnet die Katode = die Seite, in die die Pfeilspitze der Diode zeigt).

Stückliste

Halbleiter:
IC 1	78L08
IC 2	uA 741
IC 3	MM 5369
IC 4	TMS 1122
IC 5/6	SN 75491
IC 7/8	SN 75492
T1	BC 548 C
D1-D4	1N 4001
D 5-D 16	1N 4148
D 17-D 20	1N 4001
D21-D24	LED, 5mm rot
D 25-D31	LED, 5mm gelb
D 32-D 35	LED, 5mm rot
D36-D39	LED, 5mm grün
D 40/41	LED, 3mm rot
DG 1-DG 4	TIL 702

Kondensatoren:
C1	1000 uF/16V
C 2/3	100 nF
C4	100 uF/16V
C5	100 nF
C6	30pF, Trimmer
C7	22-33pF
C8	47 pF
C9*	10 nF
C 10	0,47 uF/16V

Widerstände:
R1	1 KOhm
R2	120 Ohm
R3	15 KOhm
R4	10 KOhm
R5/6	1 KOhm
R7/8	120 Ohm
R9	18-22 MOhm
R 10	47 KOhm
R11*	47 KOhm
R 12	47 KOhm
R 13*	47 KOhm
R14-R 21	100 Ohm, 0,5 Watt
R 22	220 Ohm

Diverses:
10 Drucktaster, weiß
5 Drucktaster, grün
5 Drucktaster, rot
4 Sicherungen, 6,3 A
1 Sicherung, 0,5 A
1 Sicherung, 0,05 A
6 Sicherungshalter
1 Platinentrafo, 12V/0,7A
1 Quarz, 3,579545 MHz
4 Siemens-Kartenrelais