Anmerkungen zur Schaltung:
4060 |
Der CMOS IC 4060 enthält eine Oszillatorschaltung und einen
14-fachen Teiler. Für die Auslegung des Oszillators gibt es bei ON-Semi
(früher Motorola) im Datenblatt eine recht genaue Anleitung zur
Dimensionierung eines 32 kHz Quarzoszillators in Pierce-Schaltung. Danach ist der Ausgangswiderstand am Pin 10 (bei
mir 150k) mit 750k auszulegen. Nur, mit 820k (E12-er Wert)
konnte keine passende Frequenz erreicht werden, die Uhr ging immer
nach. In einem alten Buch (McMOS Handbuch, Motorola, 1975)
fand sich für Quarzoszillatoren die jetzt benutzte Auslegung der
Schaltung, und mit dieser konnte beim Drehen am Trimmer mal Vor- und
auch Nachlauf festgestellt werden. Dieser Widerstand hat sicher Einfluß
auf den Stromverbrauch, darf aber offenbar nicht zu groß gewählt
werden. Der 10 M Widerstand zur Linearisierung der Inverter besteht in realiter aus zwei in Reihe
geschalteten 4M7 Widerständen.
Hinweis: Hier ist der Standard 4060 gemeint! Der 74HC4060 ist zwar pin- und funktionskompatibel, aber differiert elektrisch und ist deshalb nicht geeignet.
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4526 der Erste |
Wenn man ihn noch bekommt! Sie werden leider selten!
Dieser teilt durch 15. Die Programmiereingänge 2, 5, 11,
14 liegen
auf V+ und stellen den Zähler auf 15 ein. Die mit T = 0,5 s
am Clock Eingang 6 einlaufenden Impulse setzen nun nach jeweils 7,5 s
den Zähler auf Null. Daduch
wird der Ausgang 12 für einen Clock-Impuls auf 1 gesetzt. Damit wird der
Zähler wieder auf 15 eingestellt (High am Eingang 3). |
4526 der Zweite |
Dieser Zähler ist durch Eingang 3 = Low auf 16
eingestellt. Die Programmiereingänge können deshalb auf beliebigem
Niveau liegen. Am Ausgang Q3 (Pin 1) liegt die gewünschte Schwingung
mit einem Polwechsel alle 60 s vor.
Die Verwendung des zweiten 4526
ist nur aus Gründen der Beschaffung (2 x 4526) gewählt worden. Es
eignen sich auch alle anderen Binär-Teiler wie 4020, 4022, 4024, 4040 und vielleicht auch noch andere für einen 1:16 Teiler.
Der Aufbau dieser beiden Stufen folgt den Mustern in den Datenblättern von ON und NPX (Philips) recht genau.
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Diese
drei ICs werden mit einer Anzapfung
nach 3 Batterien
mit 4,5 V gespeist, weil dann der Stromverbrauch um eine Größenordnung
kleiner ist als bei 15 V. Es empfiehlt sich, nach 5 Monaten (oder den
Zeitumstellungen) die Batterien als Triplet mit je drei Batterien von
"oben" auszutauschen. Die Lebensdauer des ganzen Satzes verlängert sich
dann. 18 Monate sind erreichbar. Die letzte Version ist der
Einsatz von drei großen Batterien Typ Mono (D), mit denen eine
Laufdauer des gesamten Batteriesatzes von weit über 2 Jahren erreicht
wird.
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7555 |
Treiberstufe
Das am Ausgang des Zählers liegende Signal hat eine
Amplitude von 4,5 V. Diese muss auf 15 V angehoben werden. Bevor
man eine (End-) Stufe aus einzelnen Transistoren aufbaut, scheint es
einfacher, auf einen IC zurück zu greifen. Für ein solches Hoch- und
Runterfahren der Spannung eignet sich die Endstufe eines 555 recht gut, die dabei noch in der
Urversion bis zu
200 mA liefert. Wegen des geringeren Stromverbrauchs wurde
hier aber eine passende CMOS Version gewählt: 7555.
Mit der Beschaffung dieses ICs kann es Probleme geben. Die Urversion als NE555
verträgt eine Speisespannung von bis zu 18 V. Aber bei den
CMOS-Versionen gibt es zwei Familien: Die einen vertragen dieselbe
maximale Speisespannung, andere aber nur 15 V. Die Hersteller sind mit
der Benamsung ihrer Teile großzügig und nennen sie nur, als Beispiel,
TS555, LMC555, ILC555, ... Diese sind zwar funktional alle identisch
mit dem 555, aber unterscheiden sich in der zulässigen maximalen
Betriebsspannung, die mal 15 V (TS555) oder auch 18 V sein kann (7555,
LMC555, ILC555). Ein 15 V - Typ ist bei mir, bei frischen Batterien,
die bis zu knapp 16 V liefern, mit einem hörbaren Knall explodiert,
weil die 15 V überschritten waren.
Der deutlich niedrigere
maximale Ausgangsstrom der CMOS Versionen
ist immer noch ausreichend. Die Ansteuerung erfolgt durch ein
gemeinsames Verfahren der
Trigger und Threshold Eingänge. Liegt dieses Niveau unter 1/3 V+, dann
geht der Ausgang hoch, liegt es über 2/3 V+, geht der Ausgang wieder
herunter. Dieses schaltet der vom Ausgang des Zählers angesteuerte
Transistor. Die Widerstände um diesen Transistor herum können
wahrscheinlich noch höher ausgelegt werden, um Strom zu sparen.
Als denkbare Alternative sieht man rechts eine direkte Ansteuerung über einen Low Power OP, so man diesen bekommt (z.B. TLC27L2).
Hier muss man in die Datenblätter schauen: Der Ruhestrom sollte
(deutlich) unter 200 µA liegen, und der maximale Ausgangsstrom
(sourcing, sinking) sollte schon bei 15 mA - 20 mA liegen.
Eine weitere Alternative, für Batteriebetrieb nicht so optimal geeignet, sie weiter unten.
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Das Arbeiten mit der Reset Taste ist etwas trickreich: Hiermit kann man
alle Zähler auf Null setzen. Aber nach 7,5 s wird am Ausgang ein Impuls
geliefert, der den Minutenzeiger vorrückt.
Stellen der Uhr: Mit dem Handantrieb des Werks Minutenzeiger auf ein
paar Minuten Nachgang einstellen. Dann den Reset Taster benutzen, bis
man eine Minute nachhängt, und dann bei 52,5 s (also 7,5 s vor
Nulldurchgang) auf der Referenzuhr zum letzten Mal Reset drücken. Dann
geht die Uhr erst ein mal sekundengenau. Das Justieren des Trimmers
kann je nach gewünschter Genauigkeit Wochen dauern.
Wer Interesse an einem Nachbau hat: Hier gibt es eine kleine Platinenauslegung samt kurzer Bauanleitung.
Warum erzeugt diese Schaltung einen negativen Impuls?
Es gibt doch nur 0 V und +15 V als Speisespannung!
Die Erklärung: Der Ausgangskondensator sei nach dem Einschalten erst einmal ungeladen
und der Ausgang des Treibers liege unten. Durch eine positive
Flanke der Taktansteuerung wird der Ausgang schlagartig nach oben
gerissen, der obere Transistor des 555 Ausgangs ist voll durchgesteuert.
Jetzt muss man zwei alte Regeln der E-Technik beachten:
An einem Kondensator kann sich die Spannung nicht schlagartig ändern,
an einer Induktivität nicht der Strom. Hier liegen jetzt aber
Ausgangskondensator (470 µF) und die Induktivität des Uhrenmotors ( R =
2k1, 20.000 Wdg) in Reihe.
Der ungeladene Kondensator legt beim Sprung der Spannung damit das
obere Ende der Motorspule an V+ und deren Induktivität lässt den
Stromfluss nur (elektronisch) langsam wachsen. Dadurch steigt die Spannung am Kondensator an und
die Spannung über der Wicklung wird niedriger. So nimmt der Stromfluss
mit steigender Spannung am Kondensator stetig bis auf Null ab. Der
Kondensator ist dann voll geladen, der positive Polwechselimpuls ist zu Ende.
Wird jetzt nach 60 s die Ausgangsspannung wieder auf Null gerissen,
dann ist der Kondensator voll mit 15 V geladen. Die Plus-Elektrode
liegt dann auf 0 V, und damit die Minus-Elektrode auf -15 V! Der
Kondensator wird jetzt über die Spule des Motors entladen, der Strom
fließt also entgegensetzt zur Aufladung in die andere Richtung. Der
Motor wird also richtig wechselweise mit positiven und negativen
Impulsen angesteuert.
Warum muss es die Polwechselimpulse geben?
Die Stellmotoren in Uhren muss man den Schrittschaltmotoren
zuordnen, und hier liegt einer mit 2 Stellungen pro Umdrehung vor. D, h. jeder Impuls
erzeugt eine Drehung um 180°. Wie wird das erreicht und warum heißen
die Impule Polwechselimpulse?
Wie
bei allen elektromotorischen Antrieben gibt es auch hier einen Rotor
und einen Stator. Der Rotor ist ein zylindrischer Dauermagnet,
der quer zur Längsachse magnetisiert wurde. Der Stator ist eine
vom Impuls durchflossene Stahlanordnung, die den Rotor fast
vollständig umschließt. Eine Konstruktion dieser Art wird auch
Lavet-Motor genannt, nach dem französischen Erfinder Marius Lavet.
Nur, wie kommt es, dass ein Impuls immer eindeutig in eine Richtung dreht?
Wie man am nebenstehenden Bild sieht, steht der Rotor in Ruhestellung
nicht gerade zwischen den Polen des SekundenimpulsenStators, sondern um ca. 45°
gedreht. Die Kompassnadel zeigt dieses schön an.
Dieses
entspricht der rechts gezeigten Anordnungsskizze: Der Rotor steht,
magnetisch gesehen, schräg im Polspalt. Kommt der Impuls wie gezeigt,
so wird der Rotor von den magnetischen Kräften geschubst und gezogen
mit dem Nordpol zum Stator-Südpol kreisen und dabei die 180° Drehung
fast vollenden. Nach Impulsende gibt es die Nord- und Südpole am Stator
nicht mehr, und beim nächstem Impuls sind die Statorpole vertauscht und
das Magnetfeld zeigt in die andere Richtung.
Nur was treibt den Rotor über die Stellung, in der die N-S=N-S Pole in
einer Linie liegen (bezogen auf die Skizze also die 9 (= S) auf 3
(= N) Uhr Stellung des Rotors hinaus? Erst wenn das magnetische Feld
des Stators zusammengebrochen ist kann der Rotor sich weiter drehen,
denn unter dem magnetischen Rotor liegt eine magnetische
Kurzschlussbrücke aus Stahl genau in der gezeigten N-S Richtung des
Rotors, also von 1h30 nach 7h30. (Bei einem Quarzuhrwerk werden
auch Lavet-Motoren eingesetzt, diese sind aber komplexer. Erläuterungen
hier.)
Die Notwendigkeit der Polwechselimpulse ist also klar: Nur wenn die
Polarität wechselt, kann der Rotor im Stator wirklich gedreht werden.
Kommen zwei Impulse gleicher Polarität hintereinander, dann wird der
Stator nur um 45° rückwärts gedreht und geht nach dem Impuls die 45°
wieder vorwärts in seine Ruheposition.
Die Schlussfolgerungen:
- Die Impulsdauer ist eigentlich irrelevant, es gilt vielmehr die
Bedingung, dass die Impulsenergie zur Überwindung folgender Widerstände ausreichen muss:
- Dem Tägkeitsmoment der Rotors.
- Den Reibungsverlusten im Räderwerk.
- Dem Trägheitsmoment des Minutenzeigers (Die Zeiger sind zwar austariert, aber immer noch sehr lang)
- Dem Gewichtsmoment in den Zeigern
- Die Drehung aus dem magnetischen "Prokrustesbett" des Rotors.
- Ist das Werk leichtgängig, dann dauert es nur wenige
Millisekunden bis der Rotor parallel zu den magnetischen Feldlinien
steht, und dann muss das Feld abgeschaltet werden, damit der Rotor in
die nächste Zwangsposition weiterdrehen, am besten: weiterschwingen
kann. Ein überlanger Impuls würde dieses dynamische Verhalten nur
stören.
- Es wird kaum gelingen, diese Antriebe zum Rückwärtslaufen zu
veranlassen. Theoretisch ginge dies zwar mit einem sehr kurzen und
intensiven Impuls, der den Rotor erst einmal in die Waagrechte zieht,
zum Überschwingen veranlasst, und während der Überschwingung eine
Polumkehr erreicht, die den Rotor aus der überschwungenen Position
weiter herausdückt und in die Endposition zieht. Dieser Vorgang wäre
extrem abhängig von der Leichtgängigkeit des Werks und deshalb extrem
unzuverlässig.
- Warum werden von Hauptuhren die Polwechselimpulse meistens 1 sec
lang geliefert? Bei Uhrenanlagen müssen ja meistens viele Nebenuhren
bedient werden. Einige davon könnten ja schon etwas schwergängig sein
und nicht mehr mit Zack auf den Impulsanfang reagieren, sondern eine
gewisse Zeit benötigen, um die Drehung in die 9-3-Uhr Stellung
hinzukriegen. Dafür hält man den Impuls so lange. Außerdem wird dieser
Impuls über einen mechanischen Schalter erteilt, und dieser ist dann
eben eine Pendelschwingung eines 1 sec Pendels lang. Bei dem hier
vorgestellten Hauptuhrersatz soll ja nur eine Uhr angetrieben werden,
und das noch mit Batteriebetrieb, und dann reichen die kurzen Impulse
aus. Der 470 µF Kondensator wurde durch Ausprobieren bestimmt: Bei 100
µF gab es keine Reaktion, bei 220 µF zuckte der Zeiger schon ein
bisschen, und mit 470 µF bewegte sich dann der Zeiger. Da dieses
"Ladungseimerchen" alle 2 Minuten geleert wird, sollte es wegen der
Betriebsdauer eines Batteriensatzes nicht unnötig groß ausgelegt
werden.
Schaltungsalternativen
Es
gibt Quarz-Wecker mit einem speziellen Werk, bei dem alle 60 s der
Minutenzeiger einen Schubs erhält, die aber keinen Sekundenzeiger und
keine Sekundenimpulse haben. Einen solchen könnte man
ausschlachten, bis nur noch die reine Ansteuerplatine ohne Spule übrig
bleibt. Damit kann man mit Hilfe eines Low Power OPs (man achte auf den Ruhestrom: 7555 200µA, TS 555 50µA, TLC72L2: 100 µA, TLC721 1,5mA
Der Weckerrest behält seine eigene 1,5 V Batterie als
Stromversorgung
Bei gleichpoligen Impulsen wären diese mit einem 2:1 Teiler
vorzuteilen.
Auch die Endstufe 7555 könnte anders gestaltet werden: aus zwei BS 170 und einem BS 250
Wer längere Polwechselimpulse benötigt sei auf ICs wie MAX232
verwiesen, die aus +5V selbstständig +15 V und -15 V herstellen können
und für +5 V Impulse je nach Ansteuerung +15 V und -15V Impulse
abliefern.
Im Laufe der Zeit sind einige Anfragen eingetrudelt, die zu diesen Ergänzungen führen:
Betrieb ohne Batterien über ein
Netzteil (am besten ein Schaltnetzteil wegen der geringeren Verluste im
Vergleich zu Trafo => Gleichrichter > Glättungselko):
Für die 12 V -Version wir oben gezeigt geht das ohne Probleme: Die
gesamte Schaltung kann mit 12 V versorgt werden. Die gezeigte 4,5 V -
Versorgung ist nur wegen des weitaus geringeren Stromverbrauchs gewählt
worden. Auch kann der 7555 durch einen "normalen" 555 ersetzt werden.
Bei höheren Spannungen darf die Speisespannung für die Schaltung 18 V
nicht überschreiten, die CMOS-ICs vertragen keine höhere Spannung. Auch
der 555 hat Grenzen. Ob man jetzt diese reduzierte Spannung so erzeugt,
wie in der nächsten Schaltung für eine 5 V Speisung geziegt oder
aber mit einem 7812, 7808, 7805 oder einem LM 317 eine Speisespannung
einstellt, ist eigentlich gleichgültig und kann durch den Inhalt der
Bastelkiste bestimmt werden. Wichtig: über diesen
Reglern müssen i. d. R. 3 V - 3,5 V abfallen, um vernünftig
zu arbeiten.
Kann man die Schaltung erweitern für 24 V Motoren (oder noch höherer Spannung) ? Wie sieht die Schaltung aus, wenn ein Impuls jede Sekunde benötigt wird?
Hier die allgemeine Antwort:
Links sieht man die Änderung (Vereinfachung) für eine Erzeugung von Sekundenimpulsen.
Der Oszillatorteil um den 4060 bleibt wie bei der großen Schaltung
oben, der Zählerteil mit den beiden 4520 entfällt komplett und kann
durch einen Teiler 4:1 ersetzt werden. Den kann man auf ganz
unterschiedliche Weise aufbauen, zwei Beispiele sind gezeigt:
Mit E (für Eingang) ist das 2 Hz Signal vom Pin 3 des 4060 gemeint, mit
R (für Reset) die Verbindung zum Pin 12. Die unbeschalteten Pins sind
Ausgänge und dürfen nicht beschaltet werden, man muss sie also auch
nicht verlöten. Soll es bei den Minutenimpulsen bleiben, dann bitte den nächsten Absatz beachten.
Im rechten Teil ist nun eine IC-freie Ansteuerung gezeigt, deren
Verwendung eigentlich nur durch die Spannungsfestigkeit der verwendeten
Komponenten bestimmt wird. Sie ist für Batteriebetrieb wegen des R3,
der relativ niederohmig ausgelegt sein muss, (und der 5 V -Versorgung über IC1) nun nicht mehr geeignet,
weil die Batterien relativ schnell "leergelutscht" werden. Aber die
erhaltenen Zuschriften fanden die Verwendung eines Netzteils
abkzeptabel. Diese Endstufe kann auch die in der großen Schaltung
gezeigte ersetzen, der Einbindepunkt ist der dort gezeigte 180 k
Widerstand, der hier zu R1, R2 umgesetzt ist.
Wie man sieht, gelangen die Zählimpulse über den Spannungsteiler R1, R2
an die Basis von T1 und schalten diesen durch oder aus. Damit wird die
Endstufe, diese gegeneinander geschalteten Emitterfolger (diese
Anordnung wird in der Literatur als Ausgangserweiterung für
Operationsverstärker so angegeben), auf Masse oder Plus gelegt, und der
Kondensator ge- oder entladen. Im oberen Teil ist die Erzeugung der
Versorgungsspannung für den Oszillator- und Zählerteil gezeigt.
Für die Stromversorgung kann ein Trafo gemäß der folgenden Tabelle
benutzt werden. Für eine Betriebsspannung von 24 V könnte man
alternativ zwei einfache Steckerschaltnetzteile in Reihe schalten. Dann
kann die 5 V - Versorgung für den Zähler (gestrichelter Kasten)
entfallen. Das muss man für sich selbst eintscheiden.
Die Dimensionierung der im Schaltungplan eingezeichneten Bauteile ohne
Größen ist von der erforderlichen Spannung für den Motor abhängig:
12 V: Trafo 12 V / 1 VA*; R3 = 2k7; R4 = 3k3; C2 = 1000 µF, 16V; C1 = 500µF, 16 V**; T1,T2 = BC 327; T3 = BC 337 ***
24 V: Trafo 2 x 12 V / 1 VA*; R3 = 5k6; R4 = 8k2; C2 = 1000 µF, 40 V; C1 = 500 µF, 40 V**; T1, T2 = BC 327; T3 = BC 337 ***
48 V; Trafo 40V / 1 VA*; R3 = 8k2; R4 = 15k; C2 = 500 µF, 100 V; C1 = 220 µF, 100 V**; T1, T2 = BC 639; T3 = BC 640 ***
* Der Trafo kann eigentlich knapp ausgelegt werden, da ja nur ein
Impuls gefragt ist, und dessen Strombedarf durch C2 abgedeckt wird.
Wer 48 V benötigt, sollte berücksichten, dass immer die
Trafo-Benennungs-Leerlaufspannung * Wurzel(2) am Kondensator C2
anliegen wird, das können dann leicht Spannungen über 60 V sein. Dann
sind die Transistoren schon sehr gezielt auszusuchen, denn die meisten
sind für diese hohen Spannungen nicht mehr geeignet und brennen durch.
Als Abhilfe könnte man zwei unterschiedliche Trafos
hintereinanderschalten, z.B. einen mit 24 V (2 x 12) und einen mit 18 V
(2 x 9), oder, vielleicht noch besser, 2 x 2 x 10, damit bleibt man
immer unter 60 V
Als Gleichrichter empfiehlt sich ein Brückengleichrichter B80C800 oder
so, das erfordert geringeren Lötaufwand als die Verwendung von 4
konkreten Dioden 1N4002, ...3, ...4, ...5 für den Gleichrichter
** Der C1 muss experimentell
ermittelt werden, denn der passenden Wert hängt vom jeweiligen Werk ab.
Und auch, ob man evtl. mehrere Uhren ansteuern will. Er sollte nicht
wesentlich überdimensionert sein sein. Auch der Speicherkondensator
kann bei höheren Spannungen evtl. kleiner ausgeführt werden. Grund: Der
Widerstand der Motorwicklungen ist bei höheren Spannungen wesentlich
höher und deshalb die fließenden Ströme kleiner.
*** Die Typen BC639/640 sind mit bis zu 1 A spezifiziert und könnten
deshalb auch bei den niedrigeren Spannungen vorteilhaft sein. Für 48 V
sind sie ein Muss! (oder äquivalente Typen im Sinne von Spannungs- und
Impulsstromfestigkeit).
Bis auf
einen Rumpfaufbau der T1,T2,T3 Schaltung sind diese Schaltungsvarianten nicht ausprobiert worden. Die Angaben hier können darum
nur Empfehlungen sein und eine Gewähr auf Funktion und Fehlerfreiheit wird nicht gegeben !!!
Nachsatz, um eine Idee mitzuteilen:
Wer ein Werk mit hoher Bebtriebsspannung hat und es betreiben will,
muss aber nicht unbedingt die hohe Spannung wie oben beschrieben
aufbauen. Es sollte eigentlich auch möglich sein, mit einem umgekehrt
betriebenen kleinen Trafo (z. B. 2 x 12 V, 15 mA, mit den beiden
Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet 24 V, das entspricht einer
Übersetzung von ca. 10) 6 V auf 60 V hochzuspannen. D. h. die ganz oben
beschriebene Schaltung wird im hinteren Teil mit nur 6 V betrieben, und
statt der direkten Ansteuerung des Motors wird die 24 V Seite des
Trafos geschaltet. Auf der eigentlich 230 V Seite wird der Uhrenmotor
angeschlossen. Aber das ist nur eine Idee!
Und zu den Batterien:
Nach nunmehr fast vier Jahren Betrieb sind 3 komplette Batteriesätze
trotz zyklischer Vertauschung verbraucht worden, im Schnitt also ca.
1,3 Jahre pro Satz. Dieses hat mich veranlasst, die Spannungsversorgung
mit 4,5 V auf drei C-Zellen ("Baby") umzustellen. Da deren Kapazität
das ca. 3 - 4
fache der AA-Zellen beträgt, sollte die jetzige
Batteriebestückung für ca. 3 Jahre ausreichen. Nur die "oberen" 7
Zellen sind noch vom Typ AA, die diese aber nur alle 120 sec den
Kondensator nachladen, sollten auch diese wesentlich länger halten.
In
der Tat hielt eine solcher Batteriesatz über drei Jahre die Uhr am
Laufen. Dann waren die AA Typen auf ca. 1.05 V und die Cs auf 1,2 V
entleert. Ziel erreicht!