Rejuvenierung eines Veteranen: Digitaluhr mit Quarzofen

Erreichte Genauigkeit bisher: besser als 0,1 s / 101 d = 1,15 * 10-8
Uhr Außenansicht

Vorgeschichte:

Die Preise digitaler ICs der 74er Ur-Reihe sanken in den ersten Jahren der 1970er beträchtlich. Die Kosten einer damit aufgebauten Digitaluhr wurden deshalb für Privatleute tragbar und der Bau einer eigenen Digitaluhr Mode. "Nixie"-Röhren, so benannt von einem amerikanischen Hersteller, dienten als Ziffernanzeigen. In diesen Röhren gab es für jede Ziffer eine eigene, aus einem Draht in der Ziffernform gebogene Elektrode, deren 10 hintereinander standen und einzeln beschaltbar waren. Es bildete sich um die angesteuerte Ziffer ein mehr oder weniger hell rötlich-orange leuchtendes Plasma. Meistens wurden diese Uhren netzgeführt aufgebaut. Die Genauigkeit reicht aus, weil die 50 Hz des Stromnetzes mit relativ hoher Genauigkeit gehalten und Abweichungen sogar nachgeführt werden.

Bastler mit hohen Ansprüchen setzten schon quarzstabilisierte Oszillatoren ein, aber mit teilweise bescheidenem Erfolg. So stöhnte mal einer: "Da hab' ich meiner Freundin eine Quarzuhr gebaut. Die hat die dann irgendwo in der Nähe des Fensters aufgestellt. Das Ding ist überhaupt nicht temperaturstabil. Lässt sie in der Nacht das Fenster etwas geöffnet und der Raum kühlt ab, geht das Ding nach. Und knallt die Sonne ins Zimmer und es wird warm, geht das Ding vor! Alles Mist dem Quarz!"

Mitte der 1970er kamen höher integrierte ICs
zu bezahlbaren Preisen auf den Markt. Auch machte die Optoelektronik Fortschritte: Größere 7-Segment-Anzeigen waren verfügbar und erschwinglich. Es war also die Zeit gekommen, in der man mit einem IC und 7-Segment LED-Anzeigen eine Digitaluhr bauen konnte, und so ist 1977 die oben gezeigte Uhr entstanden:
Das MM5314 stellt eine netzgeführte 6-stellige Digitaluhr mit 7-Segment-Ansteuerung bereit. Der Schaltungsaufbau folgt weitgehend den Empfehlungen des Datenblatts. Heute gibt es das IC beim damaligen Hersteller nicht mehr (es gibt aber noch Händler mit Restbeständen), und deshalb hier auch keine Schaltung.

Der ICM 7038 bietet eine Oszillatorschaltung mit einem 15-fachen Teiler. Um 50 Hz zu erhalten, muss die Oszillatorfrequenz also bei 50 * 215 = 1,6384 MHz liegen. Die nebenstehende Schaltung wurde dem Datenblatt entnommen und zeigt keine Besonderheiten. Die Speisespannung ist per Zenerdiode auf 2,7 V stabilisiert.
Auch dieses IC gibt es nicht mehr. Heute würde man dafür einen 4060 mit anderem Quarz oder andere Quarz/Oszillator/Teiler-Kombinationen einsetzen. Zu dem Trimmer s. Erfahrungen unten auf der Seite!

Als Besonderheit wurde eine Helligkeitsregelung der Anzeige über einen Fotowiderstand (LDR03) implementiert, um abends eine nur dezent leuchtende Anzeige zu erhalten.

Erfahrungen:

Die Uhr läuft seit 30 Jahren, nur mit der erwarteten Quarzstabilität war es etwas schwierig. Wie in den Herstellerunterlagen beschrieben, wurde eine Schaltung mit einem Zieh-Trimmer(-Kondensator) aufgebaut, aber so richtig stabil konnte man die Frequenz nicht einstellen. Sie ging also immer etwas vor oder nach.

Was ist
etwas? Nimmt man analoge (Wand-) Quarzuhrwerke zum Vergleich, so muss man zugeben: Normalerweise muss man diese zwischen den Zeitumstellungen im Frühjahr und Herbst nicht nachstellen, weil die Abweichungen zur "Normalzeit" weit unter 60 s bleiben. Meine Quarzuhr bewegte sich in der selben Liga der Abweichungen.

Funkuhrwerke lassen wir bei diesen Betrachtungen mal außen vor: Sie zeigen zwar sicher die Normalzeit sehr genau an, aber auch nur, weil sie i.d.R. zweimal am Tag mit der nun wirklich hochgenauen gesetzlichen und per Funk verbreiteten Zeit synchronisiert werden.

Das Ziel:

Der Ehrgeiz war jetzt, die freilaufende Quarzuhr auf eine Genauigkeit zu bringen, die vielleicht ±1 s/Monat (oder besser) beträgt.

Der Weg:

Dazu kann man erfahren, dass das Quarz gealtert und bei einer konstanten Temperatur betrieben werden muss.
Nehmen wir mal an, dass nach 30 Jahren (946 Mio. sec) Betrieb und somit  1,55 x 1015 (1,55 Billiarden) Schwingungen das Quarz ausreichend gealtert ist und bei weiterem Betrieb keine Änderungen der Resonanzfrequenz mehr auftreten werden. Außer der aufgedruckten Frequenz sind über dieses Quarz keine technischen Daten bekannt. Internet gab es noch nicht und es war in den meisten Fällen unmöglich, als Privatperson an Datenblätter zu kommen.

Bleibt nur noch das Problem mit der Temperaturabhängigkeit: dazu gibt es Anleitungen, das Quarz in einen temperaturstabilisierten Ofen zu setzen. Neue Bauteile wollte ich in die seit 30 Jahren laufende Schaltung eigentlich nicht einsetzen, d.h. die Verwendung eines anderen Oszillators kam für mich nicht in Betracht.
Der Oszillator war (modulare Bauweise) auf einer gesonderten Platine aufgebaut, Größe so ca. 3 x 4 cm. Das Quarz war seinerzeit schon liegend eingelötet worden, den Ofen schon im Sinn. Das Ziel war also, die ganze Oszillatorplatine temperaturstabil zu betreiben.

Aber wie heizen? Es gibt Anleitungen, da wird von der Verwendung von Leistungstransistoren wie dem 2 N 3055 gesprochen, der bis zu 100 W Verlustleistung bringen kann. So riesig? Ich will ja nichts kochen! Ausgehend von der Erfahrung, dass schon ein kleiner Metalltransistor im TO-18 Gehäuse bei wenigen hundert Milliwatt Verlustleistung Brandblasen erzeugen kann, und auch angeregt durch das sehr begrenzte Stromangebot des auch ohne Heizung schon fühl- und riechbar warmen Versorgungstrafos, ging ich mal davon aus, mit ca. 1,2 W  (100 mA bei 12 V) regelbar heizen zu können. Als Temperatur hatte ich mir 55° bis 65° vorgestellt, eine Temperatur, die unter normalen Umständen, also unbeheizt, niemals vorkommen sollte, die Oszillatorschaltung aber nicht gefährden sollte.


Die Schaltung des Heizungsreglers ist unspektakulär:

Mit R1 und dem TL 431 wird die Kopf-Spannung für die drei Spannungsteiler auf 2,5 V stabilisiert.
R2 ist Vorwiderstand für den Sensor vom Typ KTY 81-1xx (1k0 @ 25 °C, es kommt hier nicht auf den Untertyp 110, 120, 121, ... an). Auch ein KTY 81-2xx ist möglich, aber dann sollte man R2 als 3k3 einsetzen.
Der Spannungsteiler R3 - R4 hat es in sich: Er bestimmt, wann der OP kippt, d.h die Heizung ein- und ausschaltet. Zur Auslegung sollte man den KTY ... Sensor erst mal lose betreiben und den Widerstand so bei ca. 55° bis 60° C messen. Dieser streut den Datenblättern nach erheblich. Die Berechnung der Spannung über dem Sensor und damit am nicht invertierenden Eingang des OP ist dann kein Problem.

Denn:
Der Spannungsteiler R3 - R4 ist so auszulegen, dass die Mittelspannung genau den Wert der über dem Sensor bei 60° C stehenden Größe hat. Dazu nimmt man einen Strom von z. B. 200 µA an und berechnet den erforderlichen Widerstandswert für R3. Dann wird der nächstkleinere Wert der E12er Reihe benutzt und der Strom erneut berechnet, der sich jetzt von 200 µA etwas unterscheiden wird. Dann ergeben sich für R4 krumme Werte wie z.B. die 7k8, wie oben gezeigt, die eine Serienschaltung eines 6k8 und 1k0 Widerstands darstellen. Man wird feststellen, dass man durch geschicktes Schalten in Serie und/oder parallel mit maximal drei Widerständen einen passenden R4 zusammenstellen kann. Macht man sich klar, dass die Änderung des Widerstands bei 60° C ca. 9 mV/K (KTY 81-1xx wie oben gezeigt) ausmacht, dann kann man leicht abschätzen, wie genau R4 ausgelegt sein muss, um eine Temperatur zwischen 55° C und 65 °C zu treffen. Es lohnt sich in den allermeisten Fällen nicht und ist auch nicht erforderlich, auf einen Widerstand der E24, E48 oder gar E96 Reihe zu gehen. Schwer zu bekommen, und man braucht nur einen davon. Nur: für R2, R3 und R4 sollten es schon Metallfilmwiderstände sein.
Warum mache ich mir die Mühe mit den Festwiderständen? Ein Poti, auch ein Präzisionspoti, hat keinesfalls die Langzeitstabilität eines Spannungsteilers aus Festwiderständen. Nur deshalb!
So: R2 + KTY messen und R3 + R4 legen den Nullpunkt des Reglers fest. Eine klassische Brückenschaltung.

Mit den zweiten OP des LM 358 ist eine Konstantstromquelle aufgebaut, die mit einem mittleren Leistungstransistor à la BD 135 oder einem anderen flachen npn-Typ ausgerüstet ist. Der Strom wird durch den Spannungsteiler R6 - R7 und dem Emitterwiderstand R8 bestimmt. Zwischen R6 und R7 stellen sich ca. 0,9 V ein, die sich dann auch über R8 einstellen. Der Heizstrom ist damit bei obiger Auslegung auf etwas über 100 mA begrenzt.

Die LED ist die Betriebsanzeige für den Regelbetrieb. Sie brennt, wenn nicht geheizt wird. Steigt die Spannung über dem Sensor über die Mittelspannung des R3-R4 Spannungsteilers, so geht der Ausgang des als Komparator arbeitenden OPs hoch. Durch die Basis des am Ausgang angeschlossenen Transistors fließt Strom, der Transistor öffnet und zieht den nichtinvertierenden Eingang des OP auf fast 0. Dadurch wird die Heizung abgeschaltet.

Als OP eignet sich jeder OP, der eingangsseitig auf Minus-Niveau gefahren werden kann. Der LM 358, der kleine Bruder des legendären LM 324, eignet sich gut dafür.

Wie auf den Bildern unten sichtbar, wurde die Reglerschaltung auf Lochrasterstreifenplatine aufgebaut. Der Heiztransistor und der Sensor sind dabei an ihren langen Beinen auf der Lötseite der Platine eingelötet, und zwar mit den Beinchenenden! Dadurch haben sie einen großen Abstand zur Platine.
Hier sieht man den Zusammenbau: Aus einem Kupferblechstreifen (Dachrinnenrest), dessen Breite durch die Höhe des Quarzgehäuses bestimmt wird, wurde eine Umhüllung des Quarzes angefertigt. Der Heiztransistor ist zwischen den beiden Enden eingeschraubt, die Schraube kann man im Vordergrund sehen. Der Sensor steckt mit in dieser Umhüllung, aber an der dem Transistor abgewandten Seite des Quarzes. Mit Hilfe einiger Zwischenlagen aus Alufolie ist für guten Gehäusekontakt mit dem Kupferblech gesorgt. Thermisch sollte sich dieser Block aus metallischem Quarzgehäuse, Sensor, Transistor und umhüllenden Kupferstreifen wie eine Einheit verhalten. Der eigentliche Quarzschwinger "schwebt" im Quarzgehäuse, und sollte deshalb von den minimalen Temperaturschwingungen dieser Anordnung (s.u.) unberührt bleiben.
Rechts die Reglerplatine.
Die Reglerschaltung ist jetzt sichtbar von der Oszillatorplatine durch einen ca. 12 mm dicken Styroporstreifen getrennt. In den Streifen sind von der Seite Schlitze mit einem Japanmesser geschnitten, damit die Beinchen des Heiztransistors und des Sensors bis in die Mitte geschoben werden können. Die Schlitze sind dann mit den vorher ausgeschnittenen und dann wieder eingesteckten Styroporstückchen verschlossen.

Die gesamte Oszillatorplatine wird in das Isoliergehäuse aus 12 mm dicken Styroporstreifen im Hintergrund gesteckt. Zum Größenvergleich eine 2 EUR-Münze.

Ein Problem:

Nach dem Schließen des Gehäuses und einem Probelauf stellte sich heraus, dass die Heizleistung von 1,2 W nicht ausreichte, Die LED leuchtete nicht auf, die Heizung schaltete nie ab. Mit meinem elektronischen Thermometer konnte ich dann im Innenraum eine Temperatur von nur knapp 60° C messen. Der kleine Trafo wurde merklich warm bei 300 mA Belastung, obwohl er ja eigentlich für 400 mA ausgelegt sein soll.
Warum nicht diese Wärme nutzen? Der Quarzofen wurde testhalber auf den Trafo gelegt, und erwartungsgemäß blinkte nach kurzer Zeit die LED, der geregelte Betrieb setzte also ein. Aber wie die Wärme im Uhrengehäuse an die richtige Stelle bringen? Mit Aluminiumblech! Zwei Streifen aus 1,5 mm dickem Blech leiten die Wärme über und unter das Quarzofengehäuse. Der Styroporblock wurde bearbeitet, um genau in den Spalt zwischen den beiden Wärmeleitblechen zu passen.
Das obere Wärmeleitblech ist gut sichtbar. Darauf und auch darunter passt noch eine ca. 3 - 5 mm dicke Styroporlage. Die Oszillatorplatine hängt im Styroporgehäuse nach unten, der Trimmer kann also von unten eingestellt werden. Durch genaues Ausmessen ist die Lage bekannt, und durch ein 3 mm Loch, durch den Boden und das untere Blech gebohrt, kann man den Trimmer mit einem Schraubendreher bedienen.

Der Innenraum der Uhr ist jetzt fast völlig vom Quarzofen belegt. War bei geschlossem Gehäuse vor dem Umbau die Lage des Trafos leicht fühlbar, so kann man dessen Einbaustelle jetzt nicht mehr feststellen, das Gehäuse wird nur minimal warm. Die Wärmeverteilung klappt also. Die LED blinkt bei winterlicher Raumtemperatur ziemlich gleichmäßig mit einer Periodendauer von 10 sec. Alles im Lot!

Der Abgleich:

Die Uhr lief erst mal munter los und ging ca. 2 sec am Tag vor. Referenz waren zwei analoge Funkuhrwerke. Zur Justierung der Oszillatorfrequenz musste erst einmal herausgefunden werden, wo die ± - Richtungen des Trimmkondensators lagen. Das war dann nach einer Woche gefunden. Dann wurde versucht, die Uhr mit dem Ticken der analogen Funkuhrwerke zu synchronisieren. Es dauerte mehrere Wochen, bis ein fast synchroner Lauf mit dem Tack - Tack - Tack einer analogen Funkuhr erreicht wurde. Gehör und Auge sind erstaunlich empfindlich für Abweichungen. Und man glaubt überhaupt nicht, wie "verkehrt" zwei Funkuhren nebeneinander im selben Raum gehen können mit ihrem TackTack - TackTack - TackTack - ..., alles andere als synchron.

Außerdem wird vom IC leider keine Sekunden-Reset Funktion angeboten: Bei modernen digitalen Armbanduhren findet man diese Funktion: Beim Drücken einer Taste wird der Sekundenzähler auf 00 zurück- oder vor-gesetzt. Mit den drei Stellarten langsamer und schneller Vorlauf sowie Stop kann man leider keine wirkliche Synchronisation mit dem Tack-Tack erreichen.

Das Problem: der Trimmkondensator

Vor einigen Wochen wurde wohl der "goldene Dreh am Trimmkondensator" erwischt. Dieser ist kaum noch einstellbar, selbst minimale Winkelverstellungen rufen merkliche Abweichungen als Vorlauf oder Nachlauf zur der Normalzeit hervor. Aber jetzt ist eine Ganggenauigkeit erreicht, die bei ca. -0,5 sec Nachlauf in 21 Tagen liegt  Das ist schon im Bereich von 10-7 ! Ein Fehler von 0,00002755 % . Und dieser Nachlauf erfolgt sehr, sehr linear.

Die Schlussfolgerungen

Nach den Erfahrungen bisher habe ich folgende Schlüsse gezogen:

Frequenzversorgung Phase II hat begonnen  (9.2.2008)

Es ist also noch "mehr drin" bei der Ganggenauigkeit. Der "große" Trimmer wurde durch eine  Parallelschaltung 10 pF || 2 - 6 pF ersetzt. Mal sehen, wie sich das jetzt bewährt.

Bei dieser Gelegenheit wurde dem Regler noch etwas genauer beim Arbeiten zugeschaut
1. 3. 2008:
Die Empfindlichkeit auf Drehungen am Einstelltrimmer ist, wie erwartet, erheblich gesunken. Deshalb dauerte es eine Weile, die ± - Richtungen und dann das Gebiet der synchronen Schwingung zu finden. Das ist aber jetzt geschafft: Seit 9 Tagen ist ein Fehlgang der Sekundenzählung zum Tack-Tack der Referenzuhr nicht mehr feststellbar. So genau liefen
Eigenbau und Funkuhr noch nie synchron.

11.3.2008
Immer noch keine feststellbare Abweichung. Die Ungenauigkeit liegt jetzt hinter dem mir verfügbaren Messhorizont. Die Genauigkeit ist sicher besser als 0,1 s / 20 d, oder besser als  5,8 * 10 -8 (= 0,058 ppm), also schon eine Größenordnung besser als zuvor. Oder anders ausgedrückt: Besser als 4 ms am Tag.

25.3.2008
Immer noch keine feststellbare Abweichung. Auch die Auskühlung der Wohnung
auf unter 18 °C durch Abstellung der Heizung während eines Kurzurlaubs hat keine sichtbare Abweichung erzeugt. Genauigkeit jetzt: besser als 0,1 s / 34 d =  3,4 * 10 -8 . Die Zeitumstellung am kommenden Wochenende wird auf dieser Uhr nicht vollzogen. Mal sehen, ob dann Ende Juni der Bereich 10-9 erreicht werden kann, oder ein Stromausfall die Beobachtung bis dahin nicht erlauben wird. USV Betrieb wollte ich eigentlich nicht etablieren.

5.6.2008
Die erste Hitzewelle hat zugeschlagen und die zuvor erreichte Genauigkeit gestört. Bis Ende Mai lief die Uhr genau synchron mit der Referenzuhr. Die dann gestiegene Temperatur hat in kurzer Zeit zu leichtem Nachgehen geführt, so dass die Uhr jetzt 1/10 oder 2/10 sec nachgeht. Fazit: Der Regler gehört zum Oszillator in den Ofen!
Zum Vergleich: der eingetrimmte Oszillator meines Mutteruhrersatzes, der nach 5 Wochen Justierung bei ca. 24 °C mit einer Genauigkeit
besser als 0,1 s/Woche schwang, hat im selben Zeitraum einen Nachgang von fast 1 sec erlitten, weil die Raumtemperatur (diese Uhr hängt an einem anderen Ort) jetzt tagsüber bei über 25° C liegt und im Maximum 27 °C erreichte. So ganz unsinning ist der Quarzofen also nicht..



Version: 1.14  Copyright: Rolf Süßbrich, Dortmund,  07. 03. 2010