TTL Quarzuhr mit Synchronisierung per Funksignal

Diese Uhr ist das erste größere Selbstbauprojekt, welches in der Endphase meiner Schulzeit fertiggestellt wurde.

Anfangs kam ich in den Besitz von zwei mechanischen Tochteruhrwerken, die ich in Betrieb setzen wollte. Das kleinere von Beiden ist die Analoganzeige der Uhr.
Das Uhrwerk wird mit Minutenimpulsen wechselnder Polarität betrieben. Erste Überlegungen, die Steuerung mittels eines elektrischen Uhrwerks vorzunehmen hatte ich verworfen, da der Wechsel der Polarität bei jedem folgenden Minutenimpuls ein Problem darstellte, was ich damals noch nicht lösen konnte.
Ein paar Jahre später war ich soweit, den Antrieb elektronisch zu realisieren.

So baute ich zuerst nur eine Zeitbasis mit einem 10 MHz Quarz und einen Sekundenzähler. Das war die erste Ausbaustufe der Uhr.
Die Zähler und Logikbausteine sind TTL Schaltkreise und die Sekundenanzeige ist ein Siebensegment Gasentladungsdisplay mit Neongasfüllung (Leuchtdiodenanzeigen erschienen mir zu gewöhnlich).
Wie bei selbstgebauten Schaltungen mit TTL Schaltkreisen üblich, gab es Beeinflussungen duch Störimpulse aus dem Stromnetz. Wenn jemand das Licht einschaltete, rückte die Analoganzeige eine Minute voran, was extrem hinderlich war. Aber auch das Problem wurde durch herumprobieren schließlich gelöst.

Die zweite Ausbaustufe wurde in Angriff genommen, als ich über einen Elektronikversand in den Besitz von relativ großen Floureszenzanzeigeröhren kam. Da mich Röhren schon immer faszinierten, mußte ich diese auch in Betrieb nehmen. Vier Anzeigeröhren bilden die Digitalanzeige von Stunden und Minuten.
Die Digitalanzeige ist auch vollständig mit TTL Schaltkreisen aufgebaut.

Die dritte Ausbaustufe war der Einbau einer Stromausfallanzeige. Diese relativ einfache Schaltung signalisiert mit einer duo LED einen Stromausfall und damit die erforderliche Korrektur der Anzeige. Rotes Blinken signalisiert eine falsche Uhrzeit der Analoganzeige, grünes Blinken der Digitalanzeige. Da bei einem Stromausfall beide Anzeigen falsch anzeigen, blinkt die LED abwechselnd rot und grün. Zusätzlich blinken noch die Sekundenanzeige und die Digitalanzeige, sollten diese noch nicht neu eingestellt worden sein. Ein Stromausfall ist durch dieses penetrante Blinken nicht zu übersehen.

Die vierte Ausbaustufe war der Einbau eines DCF 77 Empfängers, dessen Signal von einer einfachen Logigschaltung ausgewertet wird.
Es wird die Zeit 00:00 festgestellt und zu diesem Zeitpunkt ein Impuls ausgegeben, der die Quarzuhr synchronisiert, also zurück auf 00:00 setzt.
Diese Schaltung wurde mal in einer Elektronikzeitschrift veröffentlicht und wurde dort sinniger Weise "Mitternachtsdetektor" genannt.
Bei zuverlässigem Empfang erübrigt sich das Stellen der Uhr. Das ist auch deswegen sinvoll gewesen, da die Verwendung eines Standartquarzes doch noch eine Gangabweichung von ein bis zwei Sekunden am Tag zur Folge hatte.
Nach einem Stromausfall wird, nach erfolgreicher Synchronisation, zusätzlich die Stromausfallanzeige für die Digitalanzeigen gelöscht.
Leider muß die Neueinstellung und Umstellung des analogen Uhrwerks von Sommer auf Winterzeit und umgekehrt, von Hand durchgeführt werden. Eine mit TTL Schaltkreisen realisierte Schaltung, die sich den Stand der Zeiger "merkt" und bei Bedarf neu einstellt, wäre zu aufwendig geworden. Heutzutage gibt es das allerdings in jeder besseren Armbanduhr mit Zeigern.

Zum Schluß war noch der Aufbau eines vernünftigen Netzteils erforderlich gewesen. Dafür habe ich mir einen Transformator wickeln lassen, der großzügig dimensioniert ist. Der ursprüngliche Transformator (aus irgend einem ausgeschlachteten elektronischen Gerät) hatte keine lange Lebensdauer.
Zusätzlich war noch ein großer Kühlkörper für den 5 V Spannungsregler erforderlich, was bei einem Strom von fast 2 A, mit dem dieser belastet wird, natürlich einiges an Verlustwärme zur Folge hat.

Das äußere Erscheinungsbild und die unsymetrische Beschriftung lassen wider auf meine damals nicht so ausgeprägten Fähigkeiten, vernünftige Gehäuse zu bauen und zu Beschriften. Na ja, Hauptsache es funktioniert war meine damalige Einstellung.

Einige Schaltpläne der Entwürfe:

Der handgezeichnete Schaltplan hing früher neben der Uhr und ist deshalb so ausgebleicht, dass man kaum noch etwas erkennen oder einscannen kann.
Deshalb kann ich hier nur einige erhaltene Teilentwürfe zeigen:

Netzteil

Stromausfallanzeige

Entwurf der ersten Ausbaustufe

Restauration der Digitalanzeige und Verbesserung der Nebenuhrsteuerung:

Leider sind die Floureszenzanzeigeröhren der Digitalanzeige nach fast 20 Jahren Dauerbetrieb mit zu großzügig dimensionierter Anoden und Heizspannung schon ziemlich verbraucht und leuchten kaum noch. Das Austauschen ist war wohl wieder eine Aufgabe für lange einsame Winterabende und ich habe das lange vor mir hergeschoben!
Kürzlich habe ich das Projekt dann endlich in Angriff genommen und zusätzlich die Steuerung der Analoganzeige und der Tochter- bzw. Nebenuhrwerke verbessert.

Beim Austausch der Anzeigeröhren mussten auch Maßnahmen durchgeführt werden, um deren Lebensdauer zu verlängern.
Die Anodenspannung musste reduziert werden. Zusätzlich mussten die Heizwiderstände ausgetauscht werden. Die verwendeten Widerstände haben durch Wärmeeinwirkung Ihren Widerstandswert reduziert. Einer der 39 Ohm Widerstände hatte sogar nur noch 18 Ohm, was sich schädlich auf den Heizdraht der Anzeigeröhre ausgewirkt hat. Da ich keine Daten von den Röhren besitze hatte ich damals die Heizspannung aufgrund der Intensität des Glühens der Heizdrähte gewählt. Die damalige Heizspannung von 1,2 Volt habe ich nun auf 0,8 Volt verringert. Die Heizdrähte glühen dabei so schwach, dass dies wohl die richtige Heizspannung zu sein scheint. Vorher hatte ich den Eindruck, dass diese wohl zu hell glühen, also "überheizt" sind.
Die neuen Widerstände haben einen Wert von 50 Ohm und sind mit einem Watt ausreichend bemessen. Sicherlich wäre eine Reihenschaltung der Heizfäden, mit einem Widerstand, eleganter gewesen, um diese an 5 Volt zu betreiben, aber das hatte damals bei der Entwicklung wohl nicht so funktioniert. Die Röhre am positiven Ende der Heizspannung hätte etwas dunkler angezeigt, als die am negativen Ende. Die Schaltungstricks um das auszugleichen waren mir damals noch nicht bekannt.
Die Anodenspannung wird mit einer Schaltung eingestellt, die sich auf der neuen Platine der Steuerung der Analoganzeige befindet. Mit einem Potentiometer lässt sich die Spannung einstellen, die im Moment 9 Volt beträgt. Die Anzeigeröhren sind dabei ausreichend hell und halten nun hoffentlich länger als die Alten.

Auf den Bildern kann man den Zustand vor und nach dem Austausch der Anzeigeröhren sehen.

Vorher: Nachher:

Den zweiten Teil des Projektes kann man nicht äußerlich erkennen. Die Ansteuerung des analogen Uhrwerks wurde durch Transistoren vorgenommen, welche zwar Spannungsfest waren, aber nicht für größere Leistungen bemessen. Die Spannungsfestigkeit war notwendig, da ich noch keine Möglichkeit kannte, den Spannungsstoß des analogen Uhrwerks beim Minutenwechsel zu begrenzen. Da durch die erste Schaltung beim Minutenwechsel nur die Spannung an den Nebenuhren umgepolt wurde, floss ständig Strom, was die Transistoren zusätzlich belastete. Deshalb war es auch nur möglich eine begrenzte Anzahl von Nebenuhren an die Schaltung anzuschließen.

Hier ist die Schaltung der neuen Nebenuhransteuerung zu sehen (Durch Anklicken lässt sich der Schaltplan vergrößern)

Durch einen Spannungsregler wird die ungeregelte Spannung aus dem Netzteil auf 24 Volt stabilisiert. Mittels eines Potis und zwei Transistoren wird die einstellbare Spannung zum Betrieb der Anzeigeröhren erzeugt. Die Transistoren, welche die Nebenuhren ansteuern, sind Darlingtonleistungstransistoren die speziell für Schaltanwendungen hergestellt werden. Diese befinden sich auf einem Kühlkörper. Zusätzliche Freilaufdioden schließen Spannungsspitzen zwischen Kollektor und Emitter kurz. Ein spannungsabhängiger Widerstand begrenzt die Spannungsstöße der Nebenuhrwerke, die beim Abschalten der Minutenimpulse entstehen. Zusätzlich sind noch zwei Sicherungen vorhanden, falls es auf der Nebenuhrleitung einen Kurzschluss gibt, oder dort unbeabsichtigt eine Spannung anliegt.
Ein monostabiler Multivibrator wird mit dem Minutenimpuls gestartet und gibt die Steuersignale für die Transistoren über zwei NOR Gatter frei. Nach etwa zwei Sekunden werden die Steuersignale wieder gesperrt und die Nebenuhrwerke sind stromlos. Der Polaritätswechsel wird mit einem Steuersignal, welches beim Beginn der neuen Minute den logischen Zustand wechselt, eingeleitet. Am Ausgang der Schaltung werden also Minutenimpulse, von zwei Sekunden Dauer, mit wechselnder Polarität erzeugt. Dies entspricht auch der Ansteuerungsart von Nebenuhren bei kommerziellen Uhrenanlagen.
Von der Uhr werden zur Zeit zwei Nebenuhren, in der Küche und im Bad, gesteuert.

Hier noch einige Videos

Weitere Bilder der Uhr und der Baugruppen kann man hier sehen