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. |
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. |
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! |
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