Langzeitprojekt: Digitaluhr the hard way mit Transistoren und Nixie-Röhren (abgeschlossen)

Die Elektronik ist fertig gebaut und funktionstüchtig.

Alle Funktionsgruppen sind soweit getestet und müssen nur noch verdrahtet und ins Gehäuse eingebaut werden. Dazu warte ich noch auf etwas Arbeitsmaterial.

Fakt ist: Das Gehäuse wird randvoll.

Frage:

Wieviele Transistoren braucht man, um eine Uhr zu bauen?

Meine benötigt 332 Stück unterschiedlicher Art.

Das Schaltwerk zum Umschalten des 1er-Stunden-Zählers. Mein Gedankengang war, einfach aus einem 10x-Zähler einen 4x-Zähler zu machen, wenn eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. Dazu habe ich die Verbindungen der betrefenden Flipflops einfach aufgetrennt, sodaß ich sie später schalten kann. Die obige Schaltung ist zwar nicht besonders hübsch, aber funktioniert problemlos, nachdem zwei vorherige Versuche gescheitert waren.

Die Pufferstufe am Eingang ist zwar grundsätzlich nicht notwendig, aber ich gehe hier auf Nummer Sicher, damit die Flipflops nicht durch irgendwelche Quer- und Leckströme beeinflusst werden können. Es trennt sauber ab.

Ich gehe jetzt in die letzte Phase über: Die Montage und der abschließende Probelauf

Das Entwerfen einer Lochrasterplatine macht dich nur einmal wahnsinnig, wenn überhaupt. Es gibt mittlerweile auch Software zum Gestalten solcher Leiterplatten.

In meinem Fall hier ist das aber unnötig, denn man entwirft eine Schaltung einmal und kann das ganze dann immer wieder kopieren, ohne sich den Kopf zu zerbrechen. Die beiden Flipflops (T- und D-Flipflop) habe ich einmal entworfen und dann einfach immer wieder nachgebaut. 10-fach-Zähler? Zehn mal die Schaltung hintereinander. 3-fach-Zähler? Drei mal. Ganz einfach.

Digitaltechnik ist eigentlich kein Hexenwerk, nur enorm aufwändig.

Die beiden Schaltregler basieren auf Plänen aus dem Netz. Den Abwärtswandler habe ich bereits in meinem Verstärker erprobt (mit einem Transistor als 9 V Zenerdiode) und einfach etwas angepasst. Ein stärkerer Schalttransistor (BD440, der schafft bis 4 A im Schaltbetrieb) und eine andere Zenerdiode (4V7) und ich habe am Ausgang etwa 5,3 V ohne Last, belastet sinds gut 5 V, so wie geplant. 1,5 A habe ich mal draufgegeben und das übersteht der Regler problemlos.

Der Aufwärtswandler ist ähnlich der Schaltungen mit NE555, nur daß der Schwinger eben diskret aufgebaut ist. Er basiert auch auf einem Vorschlag aus dem Netz.

Fertig!

Die Uhr ist komplettiert, aufgebaut und einsatzbereit.

Das Gehäuse ist gut gefüllt. Durch das Blechgehäuse usw. bringt die Uhr ein beträchtiliches Gewicht auf die Waage.

Jeder einzelne Zähler hat einen eigenständigen Kabelbaum. Ich spiele noch mit dem Gedanken, alle zusammenzufassen.

Das sind klassisch gebundene Kabelbäume, wie man es früher eben gemacht hat. Ich musste zwar Stern-Zwirn anstelle von Wachsband nahmen, aber es hält und sieht ordentlich aus.

Hier mal die Nixies in groß

Daten:

Gewicht: ~ 5 kg

Betriebsspannung: 230 V AC

Sekundärspannungen: 5 V DC, 170 V DC

Schutzklasse: I (Schutzerde)

Genauigkeit: +/- 50 ppm (Uhrenquarz)

Anzahl d. Transistoren: 332

Noch nicht gebaut ist der Batteriepuffer bei Stromausfall. Den entwickle ich noch und er ist für die Funktion der Uhr nicht wichtig.

Meine mangelhaften Fähigkeiten in Sachen Metallbearbeitung werden noch verdeckt. Ich werds schwärzen und die Lücken mit Epoxid auffüllen.

Danke

Ergebnisse:

Ich habe die Uhr jetzt schon eine Weile laufen und nach 24 Stunden nochmals die Spannungen und die Taktfrequenz gecheckt. Das habe ich gemacht, damit ich höchstmögliche Genauigkeit im Dauerbetrieb habe. Nach 24 Stunden sollte alles durchgewärmt sein.

Bei Belastung bricht die HV-Spannung von ca. 195 V auf etwa 170 V ein, genau wie geplant und auch im Schaltplan angegeben. Die 5 V sind stabil, egal was ich mache. Der Regler ist auch für mindestens 1,5 A ausgelegt.

Die Taktfrequenz betrug nach 24 Stunden 1,00000321 Hz (Abweichung ~0,277 Sekunden / Tag).

Ein Kalibrieren brachte es auf eine Taktfrequenz von 1,00000008 Hz, also rund 0,007 Sekunden Abweichung pro Tag. Ich denke, das ist genau genug und ein gutes Ergebnis.

Ob das Messergebnis stimmt, weiß ich jedoch nicht sooo genau, denn dazu müsste mein Frequenzmesser mal richtig von einer Firma kalibriert werden.

Bis gerade eben waren die Ziffern noch lesbar, nun ist es aber so finster, daß der Dimmer und dessen Sensor die Nixies komplett abgedunkelt hat. Wollte man jetzt die Uhrzeit ablesen, müsste man die entsprechende Taste drücken.

Man merkt, wie die Nixies langsam dunkler werden und irgendwann komplett abschalten.

Die einzelnen Baugruppen habe ich jedoch neu angeordnet, damit ich die Uhr kalibrieren kann und die Variablen gut erreichbar sind. Sowohl die Steuereinheit, als auch das Zeitnormal sind jetzt ganz oben in den Stapeln.

An der Pufferbatterie arbeite ich noch.

Ich habe mich dazu entschlossen, einen 9 V NiMH Block zu verwenden, da er den besten Kompromiss aus Platz und Leistung verspricht. Bei einer Kapazität von 200 mAh und einer Stromentnahme von rund 100 mA kann die Uhr also rund 2 Stunden ohne Netz weiterlaufen, natürlich ohne Anzeige.

Versucht habe ich auch Doppelschichtkondensatoren mit 4 F usw. Die Resultate waren sehr bescheiden.

An der Ladeschaltung bin ich gerade dran. Sie darf den Akku bis etwa 8,7 V aufladen (1,45 V pro Zelle) und muss dann abschalten. Bei rund 6 V soll dann Entladeschluss sein, also muss auch da getrennt werden. Diese zwei Sollwerte konnte ich recht einfach mit Zenerdiode und Transistor lösen.

Der passende Spannungsregler mit Strombegrenzung bei 100 mA funktioniert auf dem Steckbrett auch schon gut.

Der Akku soll aufs Maximum geladen werden und dann erst bei etwa 7,5 V soll eine erneute Auffrischung erfolgen. Damit stelle ich sicher, daß ich nicht gleich die begrenzten Ladezyklen erreiche, sondern der Akku lange lebt.

Wenn die Uhr mit Netzstrom geht, dann wird dem Akku kein Strom entnommen und er kann geladen werden. Wenn kein Netz vorhanden ist, speist der Akku die Digitaltechnik.

Ich spiele auch gerade mit dem Gedanken, eine weitere Uhr in moderner CMOS-Technik und integrierten Schaltkreisen zu bauen. Die sollte bei gleicher Funktion deutlich kleiner sein. Mal sehen... Vielleicht über den Winter.

Nachtrag:

Die Uhr läuft jetzt seit fast 5 Monaten durch. Sie geht nicht wirklich vor oder nach, zumindest nicht so viel, daß ich es mit bloßem Auge erfassen könnte. Das ist in meinen Augen ausreichend genau.

Ein Fehler hat sich bei höherer Raumtemperatur gezeigt: Ab einer bestimmten Temperatur im Raum fällt die Hochspannung für die Nixies stark ab ( < 135 V). Die Wärme scheint die Regelung im HV-Erzeuger zu beeinflussen. Ich hatte die Zenerdiode im Verdacht und zur Kompensation der Drift eine normale Diode in Reihe geschalten. Damit lässt sich der Koeffizient ausgleichen. Siehe da: HV ist auch bei größerern Temperaturen stabil.

Manches zeigt sich wohl erst nach längerer Zeit

Das ist der Taktgenerator. Er schwingt zwar etwas langsam an, dafür aber todsicher.

Es ist gar nicht so einfach, Quarze mit niedriger Frequenz zum Schwingen zu bringen. Mit höherer Frequenz geht das viel einfacher.

Der Transistor ganz links ist ein quarzstabilisierter Schwinger in Pierce-Schaltung als Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung ("Kollektorgegenkopplung"), der eine Sinuschwingung ausgibt. Der Quarz muss sehr hochohmig beschalten sein, sonst wird er zu stark bedämpft und es stellen sich keine Schwingungen ein. Nachgeschalten ist ein zweistufiger Verstärker (mittig), der kapazitiv an den Schwinger gekoppelt ist, um die Gleichspannung zu filtern (ja, auch sowas kann ein Kondensator). Er ist permanent übersteuert. Ich nutze also den Effekt, den man im Audio-Bereich ger nicht haben will.

Ausgekoppelt wird das Signal dann rein gleichspannungsmäßig, denn es wird keine Wechselspannung benötigt. Ganz rechts ist eine Pufferschaltung zu sehen, die zur Trennung und Stromverstärkung dient.

Die Bauteilwerte sind experimentell ermittelt und die Schaltung arbeitet mit 5 V prima. Erhöht man die Spannung jedoch, müssen alle Widerstände angepasst werden.

Wenn die 7-Segment-Anzeigen wenigstens VFDs sind, dann wäre das wieder cool. LEDs sind ja langweilig

Nachtrag 2:

Ein paar keinere Umbaumaßnahmen musste ich vornehmen.

Vor ein paar Tagen war bei mir durch Baumaßnahmen für mehrere Stunden kein Strom da. Die Uhr kann etwa eine Stunde puffern, bis der Akku erschöpft ist.

Es funktionierte so, wie ich es mir gedacht habe. Der Akku entlädt sich auf etwa 6 V, bis der Unterspannungsschutz abschaltet.

Bei der Wiederkehr des Netzstroms musste ich natürlich die Uhr neu stellen.

Dabei fiel mir ein Denkfehler auf, den ich wohl bei der Planung der Uhr gemacht habe: Die Eingänge der beiden verantwortlichen Zähler sind per ODER-Glied verschalten, sodaß das entsprechende Signal vom Zähler davor, oder eben manuell per Taster angelegt werden kann, damit eine Stelle weitergeschalten wird.

Hier tritt ein Problem auf: Wenn gerade vom Zähler vorher ein logisches HIGH anliegt, so kann ich den Taster drücken, wie ich will. 1 ODER 1 ist nun mal 1. Das bedeutet im schlimmsten Fall, daß man eine Stunde warten müsste, bis man die Stunden stellen kann.

Was habe ich gemacht? Nun ja, ich habe den entsprechenden Zählerausgängen ein Monoflop nachgeschalten, welches nur einen kurzen Impuls an den nächsten Zähler weitergibt. Somit ist diese Blockade aufgehoben. Es sind also insgesamt vier Transistoren dazugekommen. Insgesamt waren es zwei Monoflops: eines zwischen den 10er Sekunden und 1er Minuten und eines zwischen 10 Minuten und 1er Stunden. Die Schaltung entspricht die des veröffentlichten Schaltplans weiter oben im Thread, nur die zeitbestimmende Kapazität ist mit 1 µF um den Faktor 10 größer und bedeutet eine Impulsdauer von rund 100 ms.

Weiterhin habe ich 39 Dioden eingebaut, damit ich die Startschaltung auf allen D-Flipflops nutzen kann und somit einen festen Ausgangszustand erreiche. Dadurch kann ich die einzelnen Leiterplatten mit einer Kapazität gegen Störimpulse unempfindlich machen. Jede Leiterplatte mit Ausnahme des Taktgenerators ist nun mit 100 nF (Kerko) und 47 µF (Elko) verblockt. Jetzt kann man direkt daneben einen Drehstrommotor in Dreieckschaltung anlaufen lassen und die Uhr stört sich davon nicht.

Eines der beiden Monoflops

Funktionsprüfung. Alle 6 Sekunden erfolgt ein Impuls.

Die Impulsdauer ("ON-Zeit" des Monoflops, hier ists Delta-X) beträgt rund 100 ms und stimmt mit der Rechnung überein.

Weiterhin habe ich eine weitere Funktion hinzugefügt. Wenn man die Uhr per Sensor an das Umgebungslicht sich anpassen lässt, so gibt es irgendwann eine Schwelle, an der die Nixies vollkommen dunkel sind. Man könnte sie auf Dauerlicht umschalten (das ist möglich und auch einstellbar), allerdings bin ich faul, denn ich müsste dann wieder zur Dimmfunktion umschalten. Ich habe also einfach einen weiteren Taster angebracht, mit der ich den Sensor auf Knopfdruck mit einem 4k7 Widerstand überbrücken kann und somit den Dimmer Helligkeit vorgaukeln kann. Er dimmt dann natürlich wieder auf und die Nixies zeigen die Zeit an.

Die 4k7 sind willkürlich gewählt. Es ist der beste Kompromiss aus Regelgeschwindigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit. Aufgrund des 100 µF-Elkos über den Sensor (welcher ein Phototransistor ist) wird zwar schnell, aber sanft aufgedimmt und die Nixies leuchten dann für ein paar Sekunden, bis sie wieder durch das Abdimmen verlischen.

Wenn ich also wissen möchte, wie spät es ist, reicht ein Knopfdruck aus, wenn es für den Dimmer schon zu dunkel ist.

Es ist übrigens sehr schön im Oszi zu sehen, wie die Dimmschaltung die Helligkeitsschwankungen sanft in PWM umsetzt

Dies ist die Pufferschaltung, die Stromausfälle überbrücken soll. Sie besteht aus einem 9V-Block und einer Konstantstromquelle, die den Akku mit ca. 100mA lädt. Um ein Überladen zu verhindern, ist eine Schutzschaltung vorgesehen, die den Akku beim Erreichen von ca. 9,0 V (Zellspannung < 1,5V ) von der Stromquelle trennt. Eine Tiefentladung wird auch vorgebeugt. Sobald die Spannung unter etwa 6 fällt (Zellspannung <1 V), wird die nachfolgende Schaltung abgetrennt. Als Schaltelement sind in beiden Fällen BC337 vorgesehen, die einen maximalen Strom von 800 mA verkraften und im TO-92-Gehäuse sind.

Damit es natürlich keinen Spannungssprung gibt, wenn die Stromversorgung ausfällt und diese kleine Schaltung hier einspringen muss, ist ein abgleichbarer Längsregler nachgeschalten, der eine Schutzdiode besitzt, damit der Regeltransistor nicht zerstört wird, falls mal eine Spannung am falschen Ende ist.

Die Schaltung kann etwa 1 Stunde puffern, wenn der Akku voll geladen ist. Sobald wieder das Netz zurückgekehrt ist, wird der Akku aufgeladen.

Der graue PNP-Leistungstransistor bekommt ein Kühlblech, weil er das "Regelelement" der Konstantstromquelle ist und dadurch recht warm wird, wenn der Akku geladen wird.

Aus medizinischen Gründen hatte ich die letzten Tage Zeit, mal über die komplette Schaltung einen Blick zu werfen.

Dabei kam ich auf die Idee, den Dimmer zu überarbeiten und neu zu gestalten. Diese Schaltung ist zwar schön anzusehen und funktioniert zuverlässig, hatte aber so ihre Nachteile:

- Die alte Schaltung ging bis etwa 70% der maximalen Helligkeit.

- Sie war recht unempfindlich Kunstlicht gegenüber.

- Die Nixies fingen u.U. kurz vor dem Abschalten an zu flackern.

Diese Probleme galt es zu lösen.

PWM mit Transistoren ist gar nicht so einfach. Also bleibt gar nicht so viel Auswahl übrig. Ich entschied mich dafür, die vorhandene Schaltung grundlegend zu überarbeiten.

Sie besteht aus vier Teilen:

- Einem Generator für Dreieckspannungen (f ~ 200 Hz), der die Ladekurven der Elkos mit einem konstantem Strom linearisiert und somit eine bessere PWM verspricht

- Das zu mischende Signal vom Phototransistor, dessen Empfindlichkeit durch einen Transistor verstärkt wird, das macht die Uhr super empfindlich

- Das Monoflop, das die PWM entstehen lässt; Hier sind hauptsächlich die Werte angepasst

- Einen hinterhergeschaltenem Negator, um die Logik umzudrehen. Das geht aber vermutlich auch, wenn man den Spannungsteiler am Eingang entgegengesetzt aufbaut

Die Schaltung behebt die drei oben genannten Schwächen.

Die Uhr reagiert jetzt durch die gesteigerte Empfindlichkeit auch auf Kunstlicht. Viel besser, besonders dann, wenn man im Winter im Dunkeln aufsteht.

Sie kann jetzt auch beide Maxima annehmen. Ab einem gewissen Wert geht die Schaltung in logisch 1 über, also maximale Helligkeit. Gleiches gilt umgekehrt auch für Dunkelheit.

Bei Experimenten während der Entwicklung meiner Uhr in CMOS fand ich heraus, daß eine hohe PWM-Frequenz gar nicht mal so gut für Nixies ist und sie dadurch gern mal flackern und im Bereich kurz vor dem Erlöschen dann gern nur noch unvollständig leuchten. Die Lösung dieser Probleme fand ich in der Absenkung der PWM-Frequenz. 200 bis 500 Hz haben sich als gut tauglich erwiesen.

Die neue Schaltung basiert auf dieser Erkenntnis und schwingt daher mit rund 200 Hz, daher sind auch die Kapazitäten etwas größer.

Ganz wichtig ist auch hier der nachgeschaltene Negator, der das Signal umdreht, damit die Röhren bei Dunkelheit auch ausgehen.

Dazu habe ich die vorhandene Kollektorstufe der alten Schaltung zum Negator umgebaut. Mit Lochrasterplatinen geht das recht gut.

Dadurch ergab sich aber ein Problem: Die Uhr verfügt über drei Anzeige-Modi (Dauerlicht, PWM und Aus), die jeweils auch dementsprechend verknüpft werden müssen. Das für die PWM-Stellung aufgebaute UND-Gatter lieferte immer die PWM an den Mosfet, der als HV-Schalter arbeitet. Nach ein wenig Messen mit dem Oszi fand ich heraus, warum das so ist.

Der Grund:

Der Negator hat am Kollektor einen Arbeitswiderstand gegen Betriebsspannung. Der daraufhin fließende Strom fließt auch in die Basis des NPN-Transistors des UND-Gatters und gibt durch die Basis-Emitter-Diode das Signal nahezu unverfälscht weiter.

Die Lösung:

Ich habe den enstprechenden Bipolartransistor BC546 gegen einen Feldeffekttransistor 2N7000 ersetzt. Der besitzt diese Diode nämlich nicht und somit kann das Signal nicht dadurch weitergegeben werden.

Weiterhin kann die Uhr jetzt auch anzeigen, in welchem Modus sie ist. Da es sich um russische IN-12B aus Sowjetzeiten handelt und diese Nixies einen Dezimalpunkt aufweisen, schalte ich diesen Punkt jetzt beim Dauerlicht mit ein. Beim Dimmer ist er aus und wenn die Röhren ganz finster sind, dann ists entweder zappenduster, Weltuntergang, oder einfach die Anzeige ausgeschalten.

Die drei Taster zum Bedienen der Uhr habe ich jetzt getauscht. Diese alten Schalter waren echt scheiße. Sie prellten enorm. Die neuen prellen nur unmerklich. Nichts, was ein Monoflop nicht ausgleichen könnte.

Nach fast zwei Jahren konnte ich doch noch ein paar Verbesserungen machen.

Die gesamte Schaltung vom Netzteil bis zum Quarzoszillator hat sich als außerordentlich robust und stabil erwiesen.