Chronicus: Wie spät ist es?

Wir und vor allem Michael bauen eine Digitaluhr. Inzwischen kann sie die Zeit und Temperatur anzeigen, hat zwei Berührungssensoren und eine Stoppuhrfunktion. Für die Belgische ExpoScience in Brüssel haben wir einen Projektbericht geschrieben: projektbericht.pdf

Nachdem die Uhr funktioniert wollen wir nun größere Ziffern bauen. Die Idee ist, ein Grundgerüst aus Pappkarton zu kleben. Das wird mit Alu-Folie als Reflektor ausgekleided und es kommen LEDs als Lichtquelle rein. Das ganze wird dann mit Matter Folie oder Butterbrotpapier abgedeckt. Die LEDs werden über Schieberegister angesteuert, so dass der Minicomputer mehr Zeit zum Schlafen oder Musizieren hat.

Wie auf den Bildern zu sehen haben wir Pappe von Schreibblöcken in 2cm Streifen geschnitten, dann zu einem großen und zwei kleinen Rechtecken zusammengeklebt. Diese dann mit Heißklebepistole auf einer Trägerpappe festgeklebt und die einzelnen Segmente mit weiteren Pappstreifen abgetrennt. Diese Konstruktion ist überraschend stabil. Vermutlich geht es auch ohne Heißklebepistole, wenn man an den 2cm Streifen noch Laschen zum Festkleben auf der Trägerpappe anbringt.

Version 2: große helle Ziffern ohne Multiplexing

Version 1: LED Matrix mit Multiplexing

Die vier Ziffernanzeigen stammen aus unseren DDR beständen. Zuerst haben wir die Belegung der Anschlüsse durch ausprobieren rausgefunden. Dannach mussten die entsprechenden LEDs der vier Anzeigen miteinander verbunden werden.

Jede LED leuchtet maximal ein Viertel der Zeit, kann also 4*20mA Strom verbrauchen. Das ergibt insgesamt 7*4*20mA kontinuierlichen Verbauch. Da der Mikrocontroller nicht so große Ströme schalten kann, brauchten wir noch eine Treiber-Stufe aus Transistoren. Vorher haben wir die möglichen Schaltungen mit einem Simulator verglichen – siehe unten. Die ausgewählte Schaltung braucht nur 7 Widerstände und 7+4 Transistoren.

Die Verkablung insgesammt ist nicht trivial. Da gibt es Verbindungen unter den Anzeigen, Verbindungen übereinander und sogar Widerstände übereinander. Und dann geht es weiter, denn die Basis-Pins der Transistoren müssen auch noch mit den Ausgängen des Mikocontrollers verbunden werden.

Inzwischen haben wir eine einfache Software geschrieben, die die vier Anzeigen nacheinander einschaltet. Wenn man das langsam macht, sieht man schön, wie die Anzeigen nacheinander dran kommen. Und wenn das schnell genug macht, zum Beispiel mit 10ms pro Anzeige, dann leuchten alle quasi-gleichzeitig. Damit haben wir erstmal ausprobiert, welcher Pin welche Anzeige und LED ansteuert. Mit dieser Information haben wir dann die Ziffern 0,1,2,3 auf die Anzeige gebracht.

Simulation Experimente

ich habe heute die Schaltung die Stefan benutzt hatte in LTSpice simuliert. Wir hatten in Weißwasser die Stromverstärkung benutzt um den Basiswiderstand auszurechnen. Die 5k Ohm waren nicht falsch, aber die Simulation hat bestätigt, dass der Transistor dann sehr lange zum ausschalten braucht. 50ns Impulse waren nicht möglich. Bei der Ziffernanzeige ist das wahrscheinlich egal, aber ich wollte es genauer wissen.

Das Problem ist, dass auch ein Bipolartransistor eine gewisse Kapazität hat, also Ladung speichert. Beim Ausschalten muss die über den Basiswiderstand abfließen. Bei großem Basiswiderstand dauert das lange. Macht man den Basiswiderstand klein, „lädt“ man leider auch den Transistor mehr auf („in Sättigung“), so dass das entladen auch länger dauert. Also müssen wir die Sättigung verhindern aber trotzdem schnelles entladen ermöglichen.

Versuch 1: Die Originalschaltung. Wie man sehen kann, sind die 50ns kurzen Impulse nicht zu sehen.

Versuch 2: ein 22pf Kondensator parallel zum Basiswiderstand. Der sorgt dafür, dass beim Umschalten der Kondensator umgeladen wird, was kurzzeitig genügend Strom liefert, um auch den Transistor um zu schalten. Sieht nicht schön aus, aber funktioniert.

Versuch 3: Schottky Transistor wie bei STTL. Die Idee ist, dass der Strom erst durch die Basis des Transistors fließt, um ihn ein zu schalten, aber danach größtenteils durch die Diode, über den Kollektor zum Emitter. Dadurch kommt der Transistor nicht in seinen Sättigungsbereich. Wenn der Basiswiderstand klein genug ist, sieht die Kurve einigermaßen gut aus. Die Kurve wird besser, wenn man den Basiswiderstand kleiner macht. Aber dadurch fließt leider auch ein recht hoher Strom, wenn der Transistor an sein soll.

Versuch 4: Kollektorschaltung auch auf der unteren Seite. Die NPN Transistoren oben sind in der Kollektorschaltung als Schalter eingesetzt. Diese Variante schaltet schnell ein und aus, weil der Transistor nie in Sättigung kommt. Denn immer wenn durch die Basis ein Strom fließt, schaltet das den Transistor so weit ein, dass der meiste Strom über den Kollektor zum Emitter fließt. Meine Idee war nun, das selbe Prinzip auch unten anzuwenden. Mit einem NPN Transistor klappt das nicht so richtig, weil da von Basis zum Emitter beliebig viel Strom fließen kann, wenn da kein Widerstand ist. Zum Glück gibt es PNP Transistoren. Damit klappt das perfekt und wir sparen sogar Bauteile!

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