Elektronische Zeitschaltuhr

ELV Computer Timer 2000

Durch den großen Erfolg des vorgestellten Computer Timers haben wir uns entschlossen, auf vielfachen Wunsch und aufgrund der anhaltend großen Nachfrage dieses Gerät, einige Verbesserungen eingeschlossen, neu vorzustellen und so auch unseren zahlreich neu hinzugekommenen Lesern nicht vorzuenthalten. Der ELV Computer Timer 2000 ist eine digitale, elektronische 24-Stunden Zeitschaltuhr mit vier, voneinander völlig unabhängigen Schaltausgängen, die auf einfache Weise mit max. 20 Ein- und Ausschaltzeiten programmiert werden kann, wobei die Zeiten bis zu einer Woche im voraus und dann mit wöchentlicher Wiederholung eingegeben werden können.

Allgemeines

Der Name ELV Computer Timer 2000 resultiert aus der Tatsache, daß den Kern der Schaltung ein bereits fertig programmierter Microcomputerbaustein darstellt, der fast sämtliche Funktionen der Schaltuhr steuert und kontrolliert. Die Vielzahl der Möglichkeiten, die diese elektronische Zeitschaltuhr bietet sowie die Programmierung, ist im nachfolgenden Artikel zusammengestellt. Die von uns vorgenommenen Verbesserungen beziehen sich im wesentlichen auf die automatische Umschaltung auf Notstrombetrieb, auf das Netzteil, sowie auf weitere Erleichterungen beim ohnehin für Geräte dieser Komplexität einfachen Nachbau (Bild 1).

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

• Die Schaltuhr hat eine 4stellige, 12 mm große, 24 Stunden LED-Anzeige,
• 4 voneinander unabhängige programmierbare Schaltausgänge, die bis zu 2000 Watt bei 220 V/50 Hz belastbar sind.
• 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. Quarzzeitbasis nicht mitbekommt. Dies würde dann zu einem leichten Nachgehen der Schaltuhr führen. Wir empfehlen daher, nicht mehr als 16 Schaltzeiten zu programmieren, was in den allermeisten Fällen mehr als ausreichend ist.
• 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 oder 60 Hz oder über eine Quarzzeitbasis erfolgen,
• über eine eingebaute Batterie können über eine Notstromversorgung Versorgungsspannungsausfälle von mehreren Tagen überbrückt werden.
  Die stark reduzierte Stromaufnahme im Notstrombetrieb wird durch eine schaltungstechnische Verbesserung erreicht, die bewirkt, daß die Ausgänge des Microcomputerbausteins weitgehend desaktiviert werden, die internen Vorgänge jedoch uneingeschränkt weiter ablaufen können.
• Schaltet der ELV Computer Timer 2000 aufgrund eines Netzspannungsausfalls auf Notstrombetrieb um, so wird dies nach Wiederkehr der Netzspannung dadurch angezeigt, daß die Anzeigeeinheit dunkel bleibt (bis auf die aktivierten Schaltausgänge). Nach Drücken der Taste „Uhr“ erscheint wieder die aktuelle Uhrzeit, da das Gerät intern uneingeschränkt weitergearbeitet hat.

Funktionsbeschreibung

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 (Bild 2). Das Netzteil sowie alle zusätzlichen Funktionsgruppen wie Schaltausgänge mit Relais, Notstromversorgung mit Batteriespannungsüberwachung und die Quarzzeitbasis finden auf der Leistungsplatine Platz (zweite, untere Platine). Zuerst soll nun zunächst eine einfache, kurze Schaltungsbeschreibung mit anschließender ausführlicher Bauleitung 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 aufgeführt. 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. Die Ausgänge 00 bis 07 und R0 bis R6 des TMS 1122 steuern die Treiber für die Anzeigen sowie die LED’s im Zeitmultiplex-Verfahren, wie es bereits in früheren Ausgaben ausführlich beschrieben wurde. Die Ausgänge R 7 bis R 10 steuern über das Treiber-IC 8 die Relais Re 1 bis Re 4 an. Sofern der ELV Computer Timer mit der vorgeschlagenen Quarzzeitbasis betrieben wird, ist der Widerstand R 24 fortzulassen. Hinzuzufügen ist die Diode D 2, wodurch der Micro-computerbaustein von 50 Hz auf 60 Hz umgeschaltet wird.
Die Quarzzeitbasis besteht im wesentlichen aus dem IC 6 des Typs MM 5369 sowie dem Schwingquarz mit der Frequenz 3,579545 MHz, der mit den Kondensatoren C 3 und C 4 beschaltet ist. R 23 dient zum besseren Anschwingen des Oszillators. IC 6 teilt die Quarzfrequenz auf 60 Hz herunter. Mit C 4, der als Trimmerkondensator ausgeführt ist, kann die Frequenz (also auch die Ganggenauigkeit der Uhr) geringfügig nachgestellt werden.
Die Widerstände R 3 bis R 10 dienen als Vorwiderstände zur Strombegrenzung der Anzeigeneinheit und der LED’s. 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.

Stromversorgung und Notstrombetrieb

Zum Abschluß der Funktionsbeschreibung soll noch kurz auf den Stromversorgungsteil mit der Notstromversorgung und der Batteriespannungs-Überwachung eingegangen werden (Bild 3). Es stehen hier zwei Spannungen zur Verfügung, die von einer Transformatorwicklung gespeist werden. Die eine über das IC 8 auf 12 V stabilisierte Spannung wird zur Versorgung der Anzeigeneinheit, der LED’s und der Relais benötigt. Die zweite Spannung, die mit dem IC 9 auf 9 V stabilisiert wird, gelangt über den Relaiskontakt re 5 (wenn das Relais Re 5 angezogen ist) auf die Quarzzeitbasis und den TMS 1122. Eine weitere Besonderheit liegt darin, daß auch die Masseanschlüsse für die beiden Spannungen 9 V und 12 V 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:
Solange die Relais Re 5 und Re 6 die vom Trafo Tr 1 heruntertransformierte und über die Dioden D34, D35, D38 und D39 gleichgerichtete Netzspannung zugeführt bekommen, sind die Relaiskontakte re 5 und re 6 angezogen, das IC 1 sowie die Quarzzeitbasis werden über das IC 9 mit Strom versorgt, und re 6 ist geöffnet.
Fällt die Netzspannung aus, übernimmt die Batterie die Versorgung des TMS 1122 sowie der Quarzzeitbasis, da die Relais Re 5 und Re 6 keine Versorgungsspannung mehr enthalten und der Kontakt re 5 auf Batterieversorgung umschaltet (eingezeichnete Position des Kontaktes re 5). Gleichzeitig (genau genommen sogar noch etwas eher, bedingt durch D41 und R 26) schließt der Kontakt re 6 (Ruhekontakt) und bewirkt dadurch die weitgehende Desaktivierung der Ausgänge des Microcomputerbausteins (Schließen von re 6 entspricht Drücken von Taste CE). Hierdurch wird die Gesamtstromaufnahme auf 7 bis 10 mA, je nach Betriebszustand reduziert. Kehrt die Netzspannung wieder, so sind durch Drücken der Taste „Uhr“ die Ausgänge des Microcomputerbausteins wieder zu aktivieren. Hierdurch ist dem Anwender die Möglichkeit gegeben, Netzspannungsausfälle zu bemerken, ohne daß dabei die Funktion des ELV Computer Timers beeinträchtigt wird, denn sofort nach Rückkehr der Netzspannung ist die Funktion der Schaltausgänge wieder gegeben, auch wenn die Taste „Uhr“ nicht betätigt wird.
Der in der Stückliste angegebene Widerstandswert R 26 = 100 Ω ist bewußt etwas höher gewählt worden, um einen möglichst geringen Strom durch die Relais Re 5 und Re 6 fließen zu lassen, da diese immer angezogen sind und nur bei Notstrombetrieb abfallen. Sollten die beiden Relais Re 5 und Re 6 nicht sofort einwandfrei (ohne zu „flattern“) anziehen, nachdem die Netzspannung wieder anliegt, so ist der Widerstand R 25 auf 82 Ω (evtl. bis auf 68 Ω) zu verkleinern.
Die Batteriespannungsüberwachung erfolgt mit dem IC 7 des Typs μΑ 741, das als Komparator geschaltet ist. An Pin 2 dieses IC’s liegt eine Spannung von 4,1 V. Punkt 3 liegt über R 29 und R 33 an Masse, solange die Drucktaste nicht betätigt wird. Beim Drücken der Taste wird die Batterie mit dem Spannungsteiler R 32, R 33 belastet. Die halbierte Batteriespannung (R 32 = R 33) gelangt über R 29 auf Pin 3 des IC 7. Ist die halbe Batteriespannung größer als 4,1 V (UB also gleich 2 x 4,1 V = 8,2 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 vor, von dessen Funktionssicherheit wir überzeugt sind. Trotzdem weisen wir auf einige Besonderheiten hin.

Der Nachbau (Bild 4) sollte in folgender Reihenfolge geschehen:
Als erstes sind die Drahtbrücken, dann die Widerstände, die Kondensatoren und danach die Halbleiter 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!

Nachdem die Platine mit den passiven Bauelementen soweit bestückt wurde, kommen die LED’s an die Reihe.
Der Abstand zwischen Platine und LED’s sollte zwischen 5 mm und 10 mm liegen je nach individuellem Geschmack und ob man die LED’s versenkt oder aber aus der Frontplatte etwas hervorstehend eingebaut sehen möchte.
Am besten man legt ein Stückchen Holz oder ähnliches zwischen die Anschlußbeinchen (damit die Abstände der LED’s zur Platine nachher alle gleich sind), 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 optischen Gründen vom Design her ist die Hauptplatine so ausgeführt worden, daß eine Frontplatte direkt, dicht über der Hauptplatine montiert werden kann, genau im 8 mm Abstand.

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 50 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 Platzierung 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 Kathode = die Seite, in die die Pfeilspitze der Diode zeigt). Da das Gerät mit Netzspannung arbeitet, möchten wir an dieser Stelle auf die Einhaltung der VDE-Bestimmungen hinweisen.

Stückliste

Halbleiter – Hauptplatine:
TMS 1122	IC1
SN 75491	IC2, IC3
SN 75492	IC4, IC5
BC 548 C	T1
IN 4148	D1 – D9
LED, gelb, 5 mm	D10 – D16
LED, grün, 5 mm	D17 – D20
LED, rot, 3 mm	D21A – D21B
LED, rot, 5 mm	D22 – D28

Halbleiter – untere Platine:
MM 5369 AAN	IC6
uA 741	IC7
7812	IC8
78L09	IC9
LED, 5 mm, rot	D29
1N 4001	D30 – D41

Kondensatoren – Hauptplatine:
470 nF	C1
47 pF	C2

Kondensatoren – untere Platine:
30 pF	C3
30 pF, Trimmer	C4
10 μF/25V	C5
1000 μF/25V	C6
100 nF	C7 – C9
100 μF/16V	C10
100 nF	C11

Widerstände – Hauptplatine:
47 kΩ	R1, R2
100 Ω, 0,5 W	R3 – R10
6,8 kΩ	R11-R21
220 Ω	R22

Widerstände – untere Platine:
18-22 MΩ	R23
47 kΩ	R24*
100 Ω	R25*
1 kΩ	R26
12 kΩ	R27
10 kΩ	R28
4,7 kΩ	R29
1 kΩ	R30, R31
120 Ω	R32, R33

Diverses – Hauptplatine:
Digitast mini, weiß	S1 – S10
Digitast mini, rot	S11 – S15
Digitast mini, grün	S16 – S20

Diverses – untere Platine:
Kartenrelais, 1 x um	Rel – Re6
Netztrafo: 12V/0,7A	Trl
3,579545 MHz	Quarz
0,05 A	Si1
6,3 A	Si2
0,63 A	Si3
3 Platinensicherungshalter
1 Batterieclip
4 Abstandsbolzen 40 – 50 mm
4 Distanzröllchen 8 mm
6 Schrauben M4 x 10
4 Schrauben M4 x 15
2 Sechskantmutern M4

Für Gehäuseeinbau zusätzlich erforderlich:

• 4 Schutzkontakt-Steckdosen
• 16 Schrauben M3 x 10
• 16 Sechskantmuttern M3
• 1 3-adriges Netzkabel mit Schutzkontaktstecker
• 1 Zugentlastung
• 1 Gehäuse mit bedruckter und gestanzter Frontplatte

*siehe Text