Praktische Schaltungstechnik Entwurf und Bau einer
Werbung
Praktische Schaltungstechnik Entwurf und Bau einer Zeitschaltuhr Inhaltsverzeichnis 1. Allgemeine Beschreibung 2. Blockschaltbild 3. Funktionsbeschreibung 4. Berechnung und auslegung der Bauteile • • • • • Netzteil Steckdosenansteuerung Logikschaltung Counterschaltung Taktgenerierung 5. Bedinungsanleitung 6. Klemmenbelegung 7. Technische Daten 8. Stückliste 9. Schaltplan 10. Layout 11. Bestückungsplan 12. Gehäusepläne • Frontplatte • Rückseite 13. Datenblätter 14. Dateien Seite 2 von 15 Allgemeine Beschreibung Im Rahmen der Praktischen Schaltungstechnik sollte eine Zeitschaltuhr entworfen und gebaut werden die folgende Funktionen hat. ¾ Countdown von maximal 59min und 59sek mit geringem Temperaturdrift ¾ Anzeige der verbleibenden Zeit über eine 7-Segment Anzeige ¾ Einstellung der Zeit mit BCD Schalter ¾ Mit Funktionstasten für die Funktionen RESET LOAD START STOP Anhalten des Countdowns und rücksetzen der Zeit auf 00min 00sek Laden der Zeit, die über die BCD Schalter eingestellt wurde Starten des Countdowns Anhalten des Countdowns ohne die aktuelle Zeit zu löschen ¾ Freischalten einer 220V Steckdose für den Betrieb von Geräten mit höherer Last während des Countdowns ¾ Anzeige des Betriebszustandes über Leuchtdioden ¾ Entwurf und Bau eines passenden Gehäuses Als Verbesserung wurden nachträglich noch weitere Funktionen eingebaut, die im falle eines Nachbaus im Schaltplan und Layout noch hinzugefügt werden müssen. ¾ Sperrung der Load Taste, um ein versehentliches neuladen des laufenden Countdowns zu verhindern ¾ Autoreset der beim Einschalten des Gerätes den Counter löscht ¾ Anzeige der führenden NULLEN auf der 7-Segment Anzeige Diese Verbesserungen sind an der fertigen Platine vorgenommen wurden und sollten beim Nachbau neu überdacht werden!!! Seite 3 von 15 Blockschaltbild Netzteil Prim. 220V~ / Sek. 9V~ Spannungsstabilisierung LM2940 Taktgenerierung ICM7213 Eingang: 4,194304MHz Ausgang: 1Hz Ausgangsschaltung Ansteuerung eines Relais für die Steckdose während des Countdowns Countersteuerung ICL-7217B Steuerlogik Mit integrierter Ansteuerung für 7-Segment Anzeige Zeiteinstellung über BCD Schalter RESET/LOAD Funktionssteuerung EIN/AUS Funktionsbeschreibung Die Zeitschaltuhr besteht im Wesentlichen aus fünf Funktionsteilen. Dem Netzteil, die Sekundentaktgenerierung, die Counterschaltung, die Logik und einer Steckdosenansteuerung. Das Netzteil liefert eine stabilisierte 5V Gleichspannung, die mit einem LowDrop Regler realisiert wurde und eine Versorgungsspannung für die Steckdosenansteuerung die 8V beträgt und nicht geregelt ist. Der Sekundentakt wurde wegen der geforderten Temperaturunabhängigkeit mit einem Quarz von 4,19MHz und einen entsprechendem Teiler IC realisiert, der am Ausgang u.a. einen Takt von 1Hz erzeugt. Die Counterschltung besteht im Wesentlichen aus einem IC, an dem nur noch die passiven Bauelemente, wie Schalter und 7-Segment Anzeige, angeschlossen sind. Die Steckdosenansteuerung ist eine einfache Transistorschaltung, über die ein Relais ein und ausgeschaltet wird. Die Logikschaltung verknüpft die Tasten Start, Stop und die Counterschaltung mit der die Taktgenerierung und die Steckdosenansteuerung gesteuert wird. Seite 4 von 15 Berechnung und Auslegung der Bauteile Netzteil Das Netzteil liefert eine stabilisierte Spannung von 5V, die mit einem LowDrop Regler geregelt wird. Durch eine grobe, aber ausreichende abschätzung, kann der Kondensator C1 bestimmt werden. Dabei liefert der Trafo liefert bei einer heutigen Netzspannng von 230V eine sekundäre Spitzenspannung von 6V * 230V Uˆ sek = * 2 * 20% = 10,65V 220V Ein Aufschlag von 20% übernimt dabei die Tollernazen, die Netzschwankung und die erhöhte Leerlaufspannung die der Trafo liefert. Die Spannung die am Brückengleichrichter abfällt beträgt rund 1,4V. Dadurch muß der Kondensator mindestens eine Spannung von 9,3V aushalten. Die Kapazität des Kondensator läßt sich mit einer Faustformel angeben. Ein Kondensator von 10000uF entläd sich bei einem Laststrom von 1A gerade um 1V, was bedeutet das die Welligkeit gerade 1V beträgt bei 1A Laststrom. Geht man davon aus, das 1V Welligkeit ausreicht und die gesamte Schaltung nicht mehr als 500mA verbraucht, kommt man mit einer Kapazität von 4700uF aus. Zusätzlich kommt ein 100nF Kondensator (C2) dabei, der schnelle Stromschwangkungen abfangen soll. Der Kondensator C3 glättet zusätzlich die Ausgangspannung Vcc und verhindert ein Schwingen der Schaltung. Die Dioden V2 und V3 dienen zu Schutz des Spannungsregler. Durch diese Bauelemente ergeben sich folgenden Spannungswerte Spannung Vcc Spannung V2 5V 6,5V < V2 < 9,5V Seite 5 von 15 Steckdosenansteuerung Die Steckdose wird mit Hilfe eines Relais geschaltet, das eine Versorgungsspannung von 5V und einen Spulenwiderstand von 47Ohm hat. Dabei nimmt das Relais einen Stom von 106mA auf. Begrenzt man den Strom durch die Leuchtdiode auf 14mA, benötigt die Schaltung 120mA. Als Transistor wurde ein NPN Darlington Transistor verwendet, der eine maximale Verstärkung von 2000 hat. Die Collektor Emitter Spannung des Transistor beträgt laut Datenblat 1V bei 120mA. Somit kann der Vorwiderstand des Relais berechtnet werden. R8 = 7,4V − 5V − 1V = 13,2Ω ⇒ 22Ω E 24 106mA Bei dem verwendeten Logikbaustei (TTL) SN7400, der einen maximalen Strom im High Pegel von 1mA liefert und eine Spannung von 3,5V, läßt sich der Vorwiderstand bestimmen. R7 = 3,5V − 1,2V * 2000 = 36,6 KΩ ⇒ 39Ω E 24 120mA Logikschaltung Die Logikschaltung besteht aus einem FlipFlop und zwei NAND Gatter. Sie ist für die Ansteuerung des Transistors und der Taktgenerierung zuständig. Das FlipFlop wird durch die Tasten Start und Stop geschaltet und steuert in Abhängigkeit des Counterzustandes die Taktgenerierung und den Transitor. Über den Kondensator C9 wird beim Einschalten des Gerätes das FlipFlop in einen definierten Anfangszustand gesetzt. Seite 6 von 15 Counterschaltung Die Counterschaltung ist mit einem spziellen IC realisiert, in dem die Ansteuerung der 7Segmentanzeige integriert ist. Der Vorteil diese IC ist, das die Anzeige und die Zeiteingabe der BCD Schalter über einen Multiplexer läuft und dadurch nur ein Bus für die Ansteuerung der Segmente benötigt wird und vier Steuerleitung. Der Takt für den Multiplexer ist ebenfalls integriet, kann aber auch extern erfolgen. Extern angeschlossen ist lediglich der Schalter um den Counter zu laden, der Reset Schalter sowie ein Takt, der die Zählgeschwindigkeit bestimmt und direkt am Timer IC angeschlossen ist. Ebenfalls integriert ist eine Logik, die Anzeigt ob der Counter auf Null steht oder nicht. Über diesen Ausgang wird u.a. die Logikschaltung gesteuert. (Weitere Technische Daten und Funktionen die hier nicht benötigt werden sind im Datenblatt beschrieben) Taktgenerierung Für die Taktgenerierung wird ebenfals ein spezieller IC benutzt, der einen sehr stabielen Sekundentakt erzeugt und nur wenige ppm mit der Temperatur driftet. Desweiteren verfügt er über einen Eingang um den Takt anzuhalten. Der IC benötigt eine Spannungsversorgung von 2V bis 4V und hat einen Strombedarf von 0,1mA. Die Versorgungspannung wurde hier über einen Spannungsteiler auf ca. 3V eingestellt. Seite 7 von 15 Bedienungsanleitung Bedienelemente Vorderseite Statusanzeige Rot Grün Power ON Gerät ist Betriebsbereit Timerzustand Der Countdown läuft und die Steckdose ist freigegeben Statusanzeige Funktionstasten BCD-Schalter Zeitanzeige Funktionstasten Reset Load Start Stop Löscht den Counter (Anzeige wird auf 0000 gesetzt) und schaltet die Steckdose ab. Mit dieser Taste wird die über die BCD Schalter eingestellte Zeit in den Counter geladen. Die Taste ist während des Countdowns gesperrt. Startet den Counter und schaltet die Steckdose frei, die sich auf der Rückseite der Zeitschaltuhr befindet. Gleichzeitig wird die Load Taste gesperrt um ein ungewolltes neuladen des Counters zu verhindern. Hält den Counter an und schaltet die Steckdose ab, wobei die aktuelle Zeit erhalten bleibt. Nach erneutem betätigen von Start läuft der Countdown weiter. BCD Schalter Über den BCD Schalter kann eine beliebige zeit bis maximal 59min und 59sek eingestellt werden, die dann über die Load Taste in den Counter geladen wird. Zu beachten ist, das die Schalter 1 und 3 nur von 0 bis 5 eingestellt werden können. Zeitanzeige An der Zeitanzeige kann die noch verbleibende Zeit abgelesen werden. Seite 8 von 15 Bedienelemente Rückseite Auf der Rückseite befindet sich der EIN/AUS Schalter des Gerätes sowie die Steckdose, für den Anschluß anderer Geräte, die über die Zeitschaltuhr geschaltet werden sollen. Angeschlossen können Geräte, die folgende Daten nicht überschreiten: Schukosteckdose Spannung Maximaler Strom 220V~ 4A Wechseln der Sicherung Die Sicherungen für die Zeitschaltuhr sowie für die Steckdose befinden sich im Innern des Gerätes. Sicherung für Steckdose Sicherung für Zeitschaltuhr Beim wechseln der Sicherung sollten nur Feinsicherungen mit Folgenden Daten verwendet werden: Zeitschaltuhr 220V~ 400mA Steckdose 220V~ 4A Seite 9 von 15 Klemmenbelegung Position Bezeichnung 1 Start Taste 2 3 4 5 Pin Stop Taste Load Taste Reset Taste LED grün Belegung GND Signal GND Signal GND Signal Vcc Signal GND V+ A Steckerleiste 9 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 8 7 6 5 3 4 2 1 6 7 BCD Schalter 1-5 Schalter 2 Schalter 1 BCD Schalter 610 1-5 610 8 LED rot Schalter 4 Schalter 3 1 8 4 2 1 D2 8 4 2 1 D1 8 4 2 1 D4 8 4 2 1 D3 1 GND V+ 9 Steckdose 1 2 PE N 1 2 3 1 2 3 NL A Netz PE N L Seite 10 von 15 Stückliste Zeitschaltuhr Passive Bauelemente Name Widerstände Stk 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 4 Bezeichnung 330 10K 222 390 39K 2K2 3K3 100K 4700uF/16V 4,7uF/16V 22pF 2,2uF 100nF Stk 19 1 1 1 1 1 1 1 1 Bezeichnung 1N4148 B40C800 5mm rot 5mm grün BC879 74LS00 LM 2940 CT Low Drop ICM 7217BIJI ICM 7213IPD Bezug Bestellnummer Conrad Farnell Farnell 175714-62 405978 403854 Name Quarz Leistungsrelais Stk 1 1 Bezug Conrad Farnell Bestellnummer 182095-62 179-332 Transformator 1 Conrad 506249-62 Tastcodierschalter 4 Conrad 701092-62 7-Segmentanzeige 1 4 Conrad Conrad 701122-62 146536-62 DIL Winkelsockel LED Fassung Frontramen 2 2 1 Bezeichnung HC18 4,194304MHz DPCO 5VDC G2R-2-5VDC 47Ohm EL 38/13,6 3,2VA 1X6V 534mA 13,9V Leerlauf PICO Codierschalter Dezimal Anschlußplatten SL 1119 Anodengesteuert 20pol. 90° LED 5mm / Kunststoff 64 X 28 Conrad Conrad Conrad 188433-11 178942-62 185370-62 Kondensatoren Bezug Bestellnummer Aktive Bauelemente Name Gleichrichterdioden Brückengleichrichter Leuchtdioden Standart Transistor Logikbaustein Spannungsregler Zähler Oszillator Sonstige Bauteile Seite 11 von 15 Anschlußklemmen Sicherungshalter Feinsicherung Schalter 2 2 1 1 1 1 Schalttafelsteckdose U-Kühlkörper für TO-220 1 2 1 1 1 Platine 1 Steckerleist Kabel 2 1 4 4 Kabeleinführung mit Zugentlastung und Biegeschutz Gegenmutter Gehäuse IC Sockel 1 1 1 1 2 Blende rot 3 Polig 220V/16A Sicherungen 5X20 400mA 5X20 4A 5X20 Abdeckhaube Wippschalter Ein/Aus Drucktaster Rot Grün Weiß Schucko 220V/16A SK 13/35 SA 17*13*35 Euro 160x100 beidseitig und Fotolagbeschichtet 20 pol. 1-Reihig Anschlußkabel mit Stecker 1,5m 3*1.5mm² Steckbuchese mit Litze 2 polig Steckbuchese mit Litze 5 polig PG 11 PG11 Frontplattengehäuse 135*132*65 28 polig 14 polig Seite 12 von 15 Conrad Conrad 491497-62 533866-62 Conrad Conrad Conrad 535184-62 701661-62 Conrad Conrad 705381-62 705390-62 705373-62 620297-62 187968 Conrad 536245-62 Conrad 739103-62 Conrad 741213 Conrad 527289 Conrad Conrad 527505 540820-62 Technische Daten Zeitschaltuhr ¾ Abmessungen B135 x L132 x H65 ¾ Anschlußwerte Versorgungsspannung Leistungsaufnahme 220V~ 4W ¾ Einstellbare Zeit Maximal 59min 59sek ¾ Steckdose 220V~ 4A max. ¾ Geringer Temperaturdrift ¾ Anzeige der verbleibenden Zeit über eine 7-Segment Anzeige ¾ Einstellung der Zeit über BCD Schalter ¾ Funktionstasten für RESET LOAD START STOP Anhalten des Countdowns und rücksetzen der Zeit auf 00min 00sek Laden der Zeit, die über die BCD Schalter eingestellt wurde Starten des Countdown Anhalten des Countdowns ohne die aktuelle Zeit zu löschen ¾ Freischalten einer 220V Steckdose für den Betrieb von Geräten mit höherer Last während des Countdowns ¾ Anzeige des Betriebszustandes über Leuchtdioden ¾ Sperrung der Load Taste, um ein versehentliches neuladen des laufenden Countdowns zu verhindern ¾ Autoreset der beim Einschalten des Gerätes den Counter löscht Seite 13 von 15 Gehäusepläne Mit den Gehäuseplänen können die Frontplatte und Rückseite des Gehäuses gefräst werden. Dabei sind in grün gezeichnet die Fräskanten und in rot die entsprechende Fräsbahnen. Zu beachten ist, das der Fräser eine Durchmesser von 2mm hat. Frontplatte Rückseite Seite 14 von 15 Datenblätter Die Datenblätter von den IC´s ICM7213, ICM 7217 sowie dem LowDrop Regler und dem Printrelais sind dem Dokument beigefügt. Alle weiteren Datenblätter wichtiger Bauelemente befinden sich auf der CD. Alle Datenblätter sind im PDF-Dateiformat verfaßt. • • • • • • • • • • • • • • 7-Segmentanzeige SL1119 G Anode.pdf BCD Codierschalter Dezimal.pdf Diode 1N4148.pdf Drucktaster.pdf ICM7213.pdf ICM7217.pdf LED Fassung RTF-5010.pdf Leiterplattenrelais G2R-1-E 16A-6V.pdf Logikbaustein 7400.pdf Quarz 4.194304MHz HC18.pdf Spannungsregler LM2940 LowDrop.pdf Traffo EL38 6V.pdf Unimas-Gehäuse.pdf Wippenschalter.pdf Dateien Auf der CD befinden sich neben einer Ansammlung der Datenblätter auch noch alle anderen Dateien, die für den Bau der Zeitschaltuhr von Bedeutung sind. Dokomentation Schaltpläne Layout Stückliste Fräspläne Benutzte Software MS-Word Ariadne Ariadne MS-Word AutoCAD AutoCAD Dateiname Zeitschaltuhr Dokumentation .doc Zeitschaltuhr. Zeitschaltuhr. Stückliste.doc Rück.dwg Front.dwg Seite 15 von 15
