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Serielle Schnittstelle des PC (COM-Port) steuert Großanzeige für Datum / Zeit, oder als Countdown
Seite 1: Einleitung und Planung Seite 2: Umsetzung Seite 3: Steuerung


Umsetzung:

Nach ein paar Wochen Schaltplan zeichnen, hatte ich die Wahl zwischen zehn kleinen, aber identischen und zugleich wiederverwendbaren Modulen mit 4094 und 2803, oder ich baue eine Steuerplatine und eine Treiberplatine mit einheitlichen Schaltkreisen. Da ich die Anzeige sicher nicht wieder demontiere, entschied ich mich für die Zwei-Platinen-Version. Um das Layout der Lochrasterplatinen nicht komplizierter zu gestallten als unbedingt nötig, nahm ich auch einige etwas aufwendigere Verdrahtung in kauf, was mir noch graue Haare bereiten sollte. Aber dafür gibt es ja Haarfärbemittel ;-)

Was bisher noch nicht erwähnt wurde, ist die eigentliche Verbindung zum Computer. Die 4094-Schieberegister vertragen die hohen Spannungen der COM-Schnittstelle (+15/-15Volt) leider nicht und ein einfacher Widerstand tut es auch nicht. Man verwendet einen geeigneten Widerstand (oder auch keinen) als Entlastung für die COM und legt dahinter eine 5,1 oder 4,7 Z-Diode in Sperrrichtung gegen Masse. Diese Diode verhindert negative (Flussrichtung), oder zu hohe positive (Durchbruch) Spannungen am 4094. Sehr simpel, aber auch sehr wirkungsvoll. Übrigens ist die COM am Computer zwar gegen Kurzschluss und Überlast geschützt, aber nicht gegen Fremdspannungseintritt. Also etwas vorsichtig beim verkabeln. Lieber dreimal prüfen und messen. Die Anschlüsse am 9poligen Sub-D sind so belegt:

Pin 3 (TxD) = Data Out (zum 4094)

Pin 4 (DTR) = Clock

Pin 7 (RTS) = Strobe

und für später ein Rückkanal zum PC
Pin 8 (CTS) = Data In (vom 4021)

Die fertigen Schaltpläne habe ich ins Lochrasterlayout übertragen und leider reichten die vorhandenen Löcher bei der 4094-Steuerplatine nicht ganz. Nach etwas hin- und hergeschiebe und ein paar unangenehm querliegenden Verbindungen war es dann doch noch möglich alles auf der Leiterplatte unterzubringen. Hier nun die beiden Platinen Schaltpläne im ursprünglichen Layout-Format:
4094-Steuerplatine 2803-Treiberplatine

Kommen wir zuerst zur 4094-Steuerplatine. Das Layout war viel zu breit und um ein paar Löcher zu kurz entworfen, um auf meine Lochrasterplatine zu passen. Wenn man alles etwas zusammenschiebt und jeden Freiraum nutzt, kommt man jedoch ganz gut hin und hat noch Platz für die Bohrlöcher der Halterung. Das sieht dann so aus:

Wie man gut erkennt, habe ich bei den Lötungen mit dem Zinn gespart. So bekommt man das zwar nicht gelehrt, aber wenn der Draht steif genug ist, wird es da auch keine Probleme geben. Außerdem ist jedes Lötauge mit Nachbar eine kleine Fehlerquelle. Deshalb hab ich auch alles auf "Lücke" gelötet, um diese Problematik zu umgehen. Die Jumperbrücken neben den Schaltkreisen dienen der Überbrückung der "Multiplexeingänge" der 4094 für den Dauerbetrieb ohne Multiplexer und dem Anschluss des Multiplexer selbst. Glücklicherweise hatte ich die Anschlüsse als Jumperbrücke ausgelegt, weil mein Multiplexer noch nicht so weit ist. Für den Dauerbetrieb aller Anzeigen sind jedoch mehr als 2A bei 12Volt erforderlich, was ein kräftigeres Netzteil vorraussetzt.

Bei den Lötaugen der 2803-Treiberplatine ging ich ebenfalls so vor. Alles auf Lücke und wenig Zinn. Wenn man sich die Steckverbinder genauer ansieht, fällt einem die unterschiedliche Pinanzahl der Steckplätze auf. Von der Steuerplatine kommen 16-adrige Flachbandkabel und nach der Treiberstufe sind 18polige Stecker zu sehen. Der Grund ist einfach. Die verstärkten 12Volt-signale gehen erst einmal zu den Anzeigen und einige Leitungen für nicht benötigte Punkanschlüsse gehen wieder zurück zur Treiberplatine, um sie dort an den separaten Steckern abgreifen zu können. Hier können später noch andere Treiber- oder Schaltstufen folgen, die andere Verbraucher ansteuern. Hauptzweck war eine akustische und optische Meldung der Alarmzustände, die über eigenständige Schaltungen laufen.

Wenn man sich jedoch die Aufteilung der 8bit-Leitungen der Steuerplatine ansieht und nun über die Treiberstufen blickt, fällt einem kaum auf, welches Kabelgewirr auf einen zu kommt. Die Steuerstufen liegen jeweils an einem Ende des doppelreihigen Verbinders. Wenn man dieses Flachbandkabel jedoch in die Sockel der Treiberstufen steckt, teilen sich die 8bit in 2 mal 4bit auf unterschiedlichen Treiberschaltkreisen und gehen danach getrennte Wege. Das bedeutet... 8bit werden übertragen und landen in einem 4094. Dieser schickt volle 8bit heraus, welche auf der einen Querseite des Steckverbinders (eine Hälfte - Keine Längsseite!!!) landen. Nachdem das erste Flachbandkabel überwunden wurde, kommt nun die Platine der Treiberstufe. Leider wird es nun etwas chaotisch. Denn die Treiberstufen haben eine Breitseite voller Eingänge und auf der anderen Seite die Ausgänge. Da meine Datenbits aber auf der Querseite liegen und der Flachbandverbinder nur Längsseiten an die Treiberstufen führt, trennen sich die ersten 4bit vom Rest und wandern durch einen anderen Treiberschaltkreis.

Da nach der Treiberstufe ein identischer Anschluss folgt, um die verstärkten Signale an die Anzeigen zu bringen, kommt dort alles gut gemischt, aber wenigstens in 4bit-breiten Streifen in einem Kabelbaum an. Wohl dem, der gut beschriften kann... Ich konnte es wohl eher nicht, denn über 20(!) Kabel musste ich tauschen, weil ich Kabeldreher drin hatte. Mal ganz davon abgesehen, dass 3 defekte Schaltkreise (CMOS!) meine Sicherung vor dem sicheren Tod bewarten. Ich hatte ja noch das 1A Netzteil angeschlossen, welches absolut nicht in der Lage ist, alle LED's zu versorgen. Ich baute auf die Schnelle ein 5A-Netzteil, tauschte die defekten 4094 aus und entfernte die Kabeldreher. Und was soll ich sagen?!? ES GEHT!!! und so sah es aus:

Halb versteckt unter der Steuerplatine ist die Treiberstufe zu sehen und die Flachbandkabel mit ihren IC-Sockelsteckern. Auf dem zweiten Bild ist der erste Testaufbau mit dem Originalnetzteil zu sehen. Die veranschlagten 50cm Breite für das Gehäuse sind wirklich sehr knapp bemessen und der Platz auf der Frontseite ist wirklich mehr als dürftig. Für die Doppelpunke zwischen den Großanzeigen habe ich 10mm LED vorgesehen, die kaum noch dazwischen passen. Die beiden Träger für die Doppelpunkte wurden bisher noch nicht montiert, weil ich diese erst zum Schluss einbaue, wenn alles funktioniert. Die Anzeigen unter Nennlast sind ultrahell! Man kann sie als Muschebubulicht einsetzen. Man vergrößert entweder den Vorwiderstand, oder verwendet einen Multiplexer als stromsparende und regelbare Dimmung. Dann können die Vorwiderstände für die Nennlast so bleiben und die Anzeigen sind ausreichend geschützt, wenn der Multiplexer mal "stehen" bleibt.

Wenn wir schon mal bei den Vorwiderständen sind, möchte ich euch auf keinen Fall einen Blick auf meine Widerstandskaskade verwehren. Ich habe ja schon in der Grundausstattung erwähnt, dass es durchaus sinnvoll ist, sich ein Sortiment an Widerständen zuzulegen. Einige Widerstandswerte wird man nie brauchen, andere Werte kann man definitiv niemals genug haben. Falls jemand so etwas nachbauen möchte, sind garantiert Netzwerkwiderstände die bessere Wahl, obwohl die sicher nicht so nett aussehen ;-)

Der Querträger der kleinsten Segmente wird nur von zwei Schrauben gehalten. Damit er stabilisiert wird, habe ich Steckverbinder auf die untere Hauptebene gelötet, die nicht nur als Seitenstabilisierung, sondern auch als Kippschutz dienen. Die Mutter als Abstandshalter war genau so hoch wie die Steckverbinder, was eine sehr breite Auflagefläche ergab, auf der sich der Querträger gut anlegen konnte. Leider hatte ich den Querträger bereits mit den 4 kleinen Anzeigen bestückt, als mir einfiel, dass ein leuchtender Doppelpunkt zwischen den Anzeigepaaren auch noch etwas Platz braucht. Diesen Platz hatte ich aber nicht bewusst frei gelassen, was nun für eine 5mm LED etwas zu eng war. Die Anzeigen nochmals um eine Lochposition zu versetzen war unmöglich, aber das Flachfeilen der beiden runden LED war binnen Sekunden erledigt.

Die Anzeigen sollen das Datum, oder die Zeit anzeigen. Hierzu ist entweder nach jeder zweiten Zahl ein Punkt, oder nach jeder zweiten Zahl ein Doppelpunkt zu verwenden. Die Punkte sind bereits in den Segmenten vorhanden und die Doppelpunkte habe ich durch zusätzliche LED's ergänzt. Da jetzt die Leitungen der nicht verwendeten Punke frei sind, ist es vorteilhaft, diese für die Versorgung der Doppelpunkte zu verwenden. Es wäre nicht sinnvoll je ein Punktsignal für eine Hälfte eines Doppelpunktes zu benutzen. Stattdessen speist nur ein Signal den ganzen Doppelpunkt. Die Zahl rechts neben dem Doppelpunkt braucht keinen Punkt für die Anzeige von Datum, oder Uhrzeit und dieses Signal wird für den Doppelpunkt verwendet. Wenn man sich die Anzeige jedoch noch einmal ansieht, entdeckt man zwei Zahlen, deren Punkt nicht für einen Doppelpunkt gebraucht wird. Dies ist die ganz linke Zahl der großen Segmente und die erste Zahl der ganz kleinen Anzeige. Diese Punktsignale werden nicht verwendet und schreien förmlich nach Missbrauch ;-)

Genau für diese unbenutzten Punktsignale habe ich bei allen Segmenten eine Rückführungsleitung in die Steckverbinder der Treiberplatine eingebaut. Jetzt macht der 18polige Stecker auch wieder Sinn, denn wenn die Punktsignale wieder auf der Treiberplatine abgreifbar sind, kann man sie ganz leicht einer anderen Verwendung zuführen. Da aber nicht von Anfang an klar war, ob das auch wirklich so umsetzbar ist, hab ich einfach auf Verdacht für alle Punktsignale eine Rückleitung eingeplant, um später nicht nochmals alles umwurschteln zu müssen. Die beiden Punktsignale gehen über einen Umschalter einmal zu den Punkten für Testzwecke (volle Anzeige mit allen Punkten), oder wieder zurück zum Flachbandkabel, welches das Signal zur Treiberplatine schleift, wo es herkommt.

Das Punktsignal des ersten Kleinsegments treibt ein Finder-Relais, welches bereits in der Power-Off-Box verwendet wurde. Es kann 250V bei maximal 2kW schalten und ist vielseitig einsetzbar. Ein Netzrelais für die Alarmfunktion ist immer nett, weil man einfach jedes Haushaltsgerät an die Uhr anschließen kann. Schaltet man den Punkt ein, so wird also nicht der Punkt aufleuchten, sondern das Relais den Netzverbraucher einschalten. Es muss ja nicht immer die Kaffeemaschine sein.

An das Punktsignal des ersten Großsegments wird eine Subminiatur-Relaisstufe gekoppelt, die die 12Volt Stromversorgung zu einem Tongenerator herstellt. Zieht das Relais an, bekommt der Tongenerator seinen "Saft" und macht ein schreckliches Guten-Morgen-Geräusch. Aus Spaß an dem Sound hier nicht nur der Schaltplan sondern auch ein Hörbeispiel mit ein- und ausschaltender Versorgungsspannung:
Hörtest

Die Transistorwerte der Generatorstufen sind unkritisch. Es kommen Miniplast-NPN und PNP-Typen zum Einsatz. Der Werte des Darlingtontransistors der Endstufe sind auf Strombelastung und Spannungsfestigkeit auszulegen. Die Schaltung arbeitet von 5-12Volt jedoch mit sehr hoher Ausgangsleistung von bis zu 15 Watt! Dabei ist sehr auf die maximale Leistung des Lautsprechers zu achten. Um diese Leistung auf erträgliche Werte zu drosseln und um auf ein fettes Kühlblech zu verzichten, habe ich weitere Werte für Spannungsversorgung und Widerstand R7 angegeben. Bei 12Volt Versorgungsspannung und R7 von 33 Ohm erreicht diese Schaltung volle Leistung und der Endstufentransistor muss unbedingt einen großen Kühlkörper bekommen! Eine normale Weckerlautstärke (ein 0,5 Watt Lautsprecher ist dann ausreichend) ist bei 12Volt mit einem Widerstand von ca. 10kOhm, und bei 5Volt mit ca. 1,5kOhm zu erreichen. Man kann auch einen Widerstand in Reihe zum Lautsprecher schalten, was auch die Lautstärke deutlich reduziert, aber die Leistung des Widerstands muss entsprechend bemessen sein, sonst dampft er einfach weg. Versuche mit kleineren Transistoren als Endstufe konnte ich noch nicht durchführen, diese werden aber noch folgen.

Wie die Anzeige durch die Software gesteuert wird, erläutere ich auf der nächsten Seite.

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