Außen-Uhr mit LED

Was macht man mit 10 Stück OPTO-14431EG von Pollin? Im Keller verrotten lassen oder doch noch zu einer Großanzeige zusammensetzen? Dazu ist folgendes zu beachten:

• Um aus 10 4×4-Anzeigen sinnvoll Ziffern und Buchstaben darstellen zu können, muss man 2 Reihen bilden, um so auf 8 „Pixel“ zu kommen. (Besser man hat mehr davon, bspw. 16 Stück für 32×8 Pixel kompatibel zur verbreiteten Punktmatixanzeige.)
• Die Anzeigegröße beißt sich mit einer Platine darunter; sie wird zu groß und zu teuer. Die günstigste und vorgesehene Montage erfolgt auf einer Blechtafel, der Anschluss mit Schneidklemmbuchsen. Für eine wasserdichte Montage fehlen die Gummiringe, für die eine Rille rückseitig vorgesehen ist.
• Die LEDs erfordern deutlich mehr als 5 V Betriebsspannung, nominell 12 V. Daher kommt man um Pegelwandlung nicht herum.
• Rein prinzipiell kann man sowohl „oben“ als auch „unten“ Portexpander 74HC595 zur Ansteuerung verwenden, wenn die Massepotenziale der „oberen“ Portexpander gleich der Betriebsspannung der „unteren“ Portexpander ist. Denn bei 5 V (= minimale Differenzspannung) leuchtet nichts. Für mehr Flexibilität bei der Wahl der Versorgungsspannung wurde hier ein Konzept mit 74HC595 + ULN2003 auf der „unteren“ Seite (man hätte auch TPIC3B595 nehmen können, aber die waren gerade nicht in der Bastelkiste) und mit CMOS-Seriell-Parallel-Schieberegistern CD4015 (die 15 V vertragen, auch hier sind eher CD4094 üblich, aber die Bastelkiste …) und Einzeltransistoren auf der „oberen“ Seite aufgegriffen.
• Es kommt faktisch nur Netzbetrieb, typischerweise am Steckerschaltnetzteil 12 V=, in Frage. Wenn alle 320 LEDs leuchten verbraucht die Anzeige rechnerisch 3,2 A! Das sind knapp 40 W!

  X  XX     XX  X  X
 XX X  X   X  X X  X
X X    X X    X X  X
  X   X     XX  XXXX
  X  X        X    X
  X X    X    X    X
  X X      X  X    X
  X XXXX    XX     X

   X  XXX     XXX     X 
  XX X   X   X   X   XX 
 X X     X X     X  X X 
x  X    X     XXX  X  X 
   X   X         X XXXXX
   X  X    X     X    X 
   X X       X   X    X 
   X XXXXX    XXX     X 

Die Stunden-Zehner müssen dazu auf 3 Pixelspalten zusammengedrückt werden. Das fällt aber nur in den Abendstunden bei der Ziffer 2 auf. Sinnvolle Features sind:

• DCF77-Empfänger für langjährigen autonomen Betrieb ohne die Uhr stellen zu müssen
• Stellmöglichkeit von Datum, Uhrzeit und Zeitzone (für den Betrieb außerhalb MEZ)
• Anzeige von Datum, Wochentag, Kalenderwoche, Feiertag, Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchte
• Wettervorhersage-Anzeige (von DCF77)

Blechtafel

Die Blechtafel aus 1 mm Alu trägt die 5×2 Anzeigemodule und hat dazu Ausschnitte für die Schneidklemmbuchsen samt „Hosenträgerkabel“. Die Anzeigefläche ist immerhin 12,8 × 36 cm groß. Die seitlichen Abkantungen sorgen für Stabilität und bieten Bauraum für die Ansteuerplatine. Für Korrosionsbeständigkeit sollten Nylonschrauben zum Befestigen verwendet werden.

Schaltung

Um die Verdrahtung zu vereinfachen werden die Pfostenbuchsen auf besondere Weise angeschlagen. Dadurch benötigt man auf der Platine nur noch 6 16-polige Steckverbinder, ohne dass der Anschlag zu komplex wird. Auch wenn dazu eine ganze Menge Hosenträgeradern parallel geschaltet werden müssen.

Durch Erweitern der „unteren“ Schieberegisterkette lässt sich die Anzeige auf mehr als 20 LED-Spalten erweitern, allerdings unter Lichtverlust durch den kürzeren Zeitschlitz pro LED. Durch Erweitern der „oberen“ Schieberegisterkette baut man logisch gesehen Zeilen an. Durch Umstapeln der Zeilen von unten nach rechts bewirkt das eine Vergrößerung der Spaltenzahl ohne Lichtverlust.

Die Verwendung von Schieberegistern ermöglicht den Betrieb der gesamten Uhr mit einem 8-beinigen Mikrocontroller. Man könnte ihn auch mit einem 32-KHz-Uhrenquarz takten, aber Stromverbrauch fällt hier nicht ins Gewicht. Es sei denn man entscheidet sich für einen Betrieb mit Pufferbatterie B1 bei Stromausfall.

Die beiden Alternativen Schaltpläne verwenden ausschließlich bei 5 V betriebene Schaltkreise sowie simple Kondensatoren zum Potenzialversatz. Bedingung hierfür ist eine hinreichend glatte Betriebsspannung, wie sie aus Schaltnetzteilen kommt. Zudem wurden sämtliche Treibertransistoren durch MOSFETs ersetzt. Diese ersetzen auch die ULN2003, die bei durchaus 2 A Katodenstrom zusammenbrechen würden. Während bei Alternative 2 Dezimaldekoder V4028 zum Einsatz kommen, die in der Bastelkiste auf ihre Bestimmung warten, setzt Alternative 3 auf möglichst wenige verschiedene Typen: Alles die gleichen Portexpander 74HC595.

Die sportliche Herausforderung ist hier ganz nebenbei, mit dem jeweils kleinsten Mikrocontroller auszukommen. In der Praxis wird man den jeweils nächtgrößeren nehmen, um noch ein paar Pins für den Helligkeitssensor, einen DS18B20 als Temperatursensor und ähnliche Features frei zu haben. Also ATtiny24 (14 Pins) statt ATtiny25 (8 Pins) sowie ATtiny261 (20 Pins) statt ATtiny24 (14 Pins). Dem beliebten ATtiny2313 (auch 20 Pins) fehlt der A/D-Wandler. Wenn's nicht stört, dan geht auch jener. Entsprechende PICs tun es auch, etwa PIC16F1459 für USB-Steuermöglicheit.