Zeitablaufsteuerung mit IS history Letztmalig dran rumgefummelt: 09.10.12 19:15:24 menue
Dieser Beitrag zeigt den Aufbau einer Baugruppe, die die tägliche Gesamtbenutzungsdauer eines angeschlossenen Verbrauchers zeitlich begrenzt, wobei die einzelnen Einschaltzeitpunkte und -längen frei wählbar sind. Im konkreten Fall geht es um die Einschaltzeitbegrenzung eines Fernsehgeräts.
  1. Digitale Zeitschaltuhr mit IS
  2. Praktischer Aufbau in der AG-Arbeit

IC-Schaltungen

Logo für die Zeitablaufsteuerung mit IC

inhaltlich auf korrektem Stand - evtl. partiell unvollständig ;-)

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Quellen:
1. Digitale Zeitschaltuhr mit IS nach FUNKAMATEUR Heft 9/2012 S. 918 ff. history menue scroll up
Nahezu jedes Fernsehgerät verfügt heutzutage über eine Kindersicherung in Form eines vierstelligen Zahlencodes. Doch diesen Code muss ein Elternteil beim Einschalten des Fernsehgeräts per Fernbedienung eingeben. Zum Ausschalten ist kein Code nötig, doch welches Kind schaltet schon freiwillig aus. Außerdem ist die Anzahl der möglichen Zahlenkombinationen begrenzt, sodass ein Ausprobieren möglich wäre. Clevere Kinder fragen in einer Reparatur- oder Fachwerkstatt nach dem Generalcode für die jeweilige Gerätemarke.
Eine sichere Variante ist dagegen die Verwendung einer Zeitschaltuhr. Sie lässt sich einfach programmieren und schaltet zuverlässig ein und aus - sogar mehrmals am Tag, wenn gewünscht. Eine Programmierung auf bestimmte Sendungen oder Zeitspannen ist somit möglich.
Bei der hier vorgestellten Variante legt man hingegen ein tägliches Zeitvolumen fest, ohne Einfluss auf die Ein- und/oder Ausschaltzeit zu nehmen. Drei Beispiele verdeutlichen das Konzept. Ausgegangen wird jeweils von einer festgelegten Einschaltzeit von 2,5 h (150 min) und einer voreingestellten Pausenzeit von 12 h.

Grundlagen

Schaltplan

Das erste Beispiel zeigt eine Zwangsabschaltung. Nach dem Einschalten des Fernsehgeräts um 14.30 Uhr und dem Dauerbetrieb schaltet es die Baugruppe nach 2,5 h um 17 Uhr automatisch ab. Da die Pause nach der letzten Benutzung 12 h beträgt, lässt sich frühestens am nächsten Tag um 5 Uhr für 2,5 h wieder fernsehen. Im zweiten Beispiel ist der Fernseher zwischen 15 Uhr und 15.35 Uhr eingeschaltet. Nimmt man ihn anschließend um 20 Uhr noch einmal in Betrieb, so schaltet es sich nach der restlichen Einschaltdauer um 21.55 Uhr automatisch ab. Eine erneute Inbetriebnahme ist somit frühestens um 9.55 Uhr des nächsten Tages möglich. Ist der Lernprozess so weit fortgeschritten, dass ein gezieltes Fernsehen erfolgt, ist der Fernseher beispielsweise nur von 19 bis 20.30 Uhr in Betrieb. Das Zeitkontingent wurde somit nicht voll ausgeschöpft. Ab 8.30 Uhr des Folgetages steht der volle Zeitumfang von 2,5 h wieder zur Verfügung. Selbstverständlich funktioniert das alles, ohne Eingriffe am Fernsehgerät vornehmen zu müssen.
Schaltungsprinzip
Um ohne Eingriffe ins Fernsehgerät auszukommen, wertet die Zusatzbaugruppe seine Stromaufnahme aus. Das Kernstück der Baugruppe bilden zwei Zähler, die sich gegenseitig steuern. Der eine Zähler (Einschaltzähler) ist immer dann aktiv, wenn das Fernsehgerät eingeschaltet ist. Dieser dreistufig ausgelegte Dezimalzähler zählt im Minutentakt rückwärts und arbeitet summierend, d. h., nach einem Stopp zählt er ab dem Zählerstand weiter, den er vor der Unterbrechung hatte. Erreicht er den Zählerstand 0 (schaltungsbedingt einen Zähltakt weniger, also 999) fällt das Relais KI ab. Der andere Zähler (Pausenzähler), ebenfalls ein Rückwärtszähler, arbeitet, sobald der Fernseher ausgeschaltet ist. Er besteht aus einem einstufigen Binärzähler mit vorgeschaltenem 60:1-Teiler und beginnt den Zählvorgang immer bei einem fest vorgegebenen Einstellwert. Wenn er den Wert 0 erreicht hat, wird der erste Zähler auf einen programmierbaren Wert zwischen 001 und 399 zurückgesetzt. Das Relais zieht wieder an.
Während der Einschaltzähler arbeitet, ist die LED-Anzeige aktiv und zeigt die restliche zur Verfügung stehende Fernsehzeit in Minuten an. Arbeitet der Pausenzähler, blinken nur die Dezimalpunkte.
Funktion
Beim Zuschalten der Stromversorgung (Netzstecker) läuft ein Taktgenerator A1 an,
dem der Frequenzteiler D 1 nachgeschaltet ist. Gleichzeitig entsteht durch Aufladung des RC-Glieds R16/C11 ein H-Impuls am Ausgang von D11.4. Dieser Impuls setzt den Frequenzteiler zurück und den aus D2 bis D4 bestehenden Einschaltzähler auf seinen Voreinstellwert. Über VT3 und VT5 zieht das Relais Kl an. Außerdem wird das aus D11.1 und D11.2 bestehende Flipflop gesetzt. Der H-Pegel am Ausgang von 1)11.3 schaltet den Ausgang von D12.3 auf L-Pegel und aktiviert dadurch die Anzeigedecoder D5 bis D7. Das gesetzte Flipflop sorgt auch dafür, dass das Tor D11.3 die Impulse vom Ausgang Q2 des Frequenzteilers D1 durchlässt.
Q12 hat zu diesem Zeitpunkt noch L-Pegel. Folglich liegt H-Pegel an D 10.2 Pin 6. Die Impulse von D1 (Ausgang Q2) gelangen somit an den Zähleingang von D2. Der Pausenzähler D9 wird dabei ständig auf seinen Voreinstellwert gesetzt, sodass sein Übertragsausgang CO auf H-Pegel bleibt. Der Einschaltzähler aus D2 bis D4 zählt nun mit der Frequenz des an Q2 abgegebenen Signals abwärts, was an der Ziffernanzeige zu beobachten ist. Nach dem Erreichen des Zählerstands 000 springt er auf 999 und der Ausgang QD von D4 besitzt H-Pegel. Dadurch fällt das Relais K1 ab. Das mit D12.1 negierte Signal von D4/QD gibt D12.4 und damit die Impulse von D1/Q6 zum Blinken der Dezimalpunkte frei. Das Flipflop D11.1/D11.2 wird rückgesetzt (Ausgang D11.1 auf L-Pegel) und damit das Tor D11.3 gesperrt. Die Impulse von D1/Q2 gelangen nicht mehr an den Zähleingang des Einschaltzählers D2 bis D4 und er verharrt auf dem Zählerstand 999. Der Eingang 8 von D12.3 liegt dann ebenfalls auf L-Pegel.
Da bei abgefallenem Relais kein Strom durch die Dioden VD6 bis VD8 fließt und folglich kein Spannungsabfall darüber auftritt, bleibt die Leuchtdiode im Optokoppler U1 dunkel und sein Fototransistor steuert nicht durch. Daraus resultiert, dass am Kollektor von VT2 L-Pegel liegt und durch diesen Pegel am Eingang 9 des D 12.3 der Ausgang 10 von D12.3 H-Potenzial führt. Die Anzeigedecoder werden dadurch inaktiv. Außerdem sperrt der L-Pegel von VT2 das Tor D10.3 und hebt somit die Sperre des als Teiler arbeitenden D8 auf. Die Impulse von D1/Q12 gelangen im Verhältnis 60:1 geteilt an den Pausenzähler D9. Dieser zählt nun abwärts. Erst wenn er den Wert 0 erreicht hat, gibt sein Übertragsausgang CO L-Pegel ab und der Ausgang 11 von D 11.4 wechselt auf H-Pegel. Damit werden nun D2 bis D4 auf die per Drahtbrücken festgelegte maximale Einschaltzeit gesetzt. D4/QD wechselt auf Low. D12.4 verhindert das Blinken der Dezimalpunkte und das Relais K1 zieht an.
Beim Einschalten des Fernsehgeräts fließt eine Halbwelle des Wechselstroms durch die Dioden VD6 bis VD9. Damit keine Gleichrichtung erfolgt, lässt VD9 die entgegen gesetzte Halbwelle durch. Der an den Dioden VD6 bis VD8 entstehende Spannungsabfall beeinflusst den Fernseher nicht, reicht aber aus, um die Leuchtdiode des Optokopplers zu aktivieren. Nach Glättung und Pegelanpassung liegt nun H-Pegel am Kollektor von VT2, wodurch D 12.3 die Anzeigedecoder D5 bis D7 aktiviert. Über D12.2 und D10.1 entsteht eine L/H-Flanke am Zähleingang des Zählers D9. Dieser verlässt den Wert 0, worauf sein Übertragsausgang CO auf H- bzw. der Ausgang von D 11.4 auf L-Pegel wechselt. Das hat die Freigabe des Einschaltzählers zur Folge. Der H-Pegel an VT2 öffnet auch das Tor 1)11.3. Da das Flipflop D11.1/D12.2 nun rückgesetzt ist, liegt der Ausgang 10 von D11.3 fest auf H-Pegel. Es gelangen jetzt Minutenimpulse von D1/Q12 über D10.3 und D10.2 an den Zähleingang D2/15 der Zählerkette D2 bis D5. Wie bereits erwähnt, wird dabei der Pausenzähler auf seinen programmierten Wert gesetzt.
Nach dem Ausschalten des Fernsehers entsteht an den Dioden kein Spannungsabfall mehr. Am Kollektor von VT2 liegt L-Pegel und die Anzeige schaltet ab. Durch D10.3 werden ebenfalls die Zählimpulse für den Einschaltzeitzähler gesperrt und die Teilerschaltung D8 freigegeben, sodass der Pausenzähler zu arbeiten beginnt. Beim erneuten Einschalten des Fernsehers kehren sich die Verhältnisse nochmals um. Am Kollektor von VT2 liegt wieder H-Pegel, was die Anzeigedecoder D5 bis D7 wieder aktiviert, D8 sperrt und über D 10.3 die Zählimpulse für den Einschaltzeitzähler D2 bis D4 wieder freigibt. Dieser zählt nun weiter abwärts. Der Wechsel zwischen Ein- und Ausschalten ist beliebig oft wiederholbar, bis der Einschaltzeitzähler den Wert 999 (0 minus 1) erreicht.
In diesem Moment wechselt D4/2 auf H-Pegel. Über VT3 und VT5 fällt das Relais ab, was L-Pegel am Kollektor von VT2 zur Folge hat. Der Pausenzähler beginnt, seine Arbeit fortzusetzen. Erst bei seinem Nulldurchgang gibt der Ausgang 7 von D9 L-Pegel ab und der Ausgang von D11.4 besitzt H-Pegel. Der Einschaltzähler wird auf seinen Anfangswert gesetzt, D4/QD bekommt wieder L-Pegel und das Relais zieht erneut an. Die gesamte Einschaltzeit steht abermals zur Verfügung. Der Pausenzähler beginnt seine Arbeit auch beim manuellen Ausschalten des Fernsehers. Das Relais bleibt jedoch angezogen. Dauert die Pausenzeit aber länger als die vorgegebene Auszeit, erfolgt auch in diesem Fall ein Nulldurchgang und damit ein Setzen des Einschaltzählers auf seinen Anfangswert.

Aufbau
Die gesamte Schaltung ist sinnvollerweise auf drei getrennten Leiterplatten aufzubauen. Neben der Leiterplatte für die Steuerelektronik wurde eine separate Platine mit der Ziffernanzeige und den dazugehörigen Decodern entworfen. Dadurch gestaltet sich der Einbau in ein kleines Gehäuse günstiger. Die dritte Leiterplatte trägt die Stromversorgung und alle Bauelemente, die mit Netzspannung verbunden sind. Die Leiterplatten für Steuerung und Anzeige sind doppelseitig gestaltet. Die notwendigen Durchkontaktierungen sind mit dünnem Draht an den zusätzlichen Lötpunkten herzustellen. Dafür werden die Bauelemente nur einseitig kontaktiert, was die Bestückung erheblich vereinfacht.
Beim Schaltungsentwurf habe ich darauf Wert gelegt, möglichst freie Hand bei der Verwendung vorhandener Bauelemente wie Transformator, Relais und eventuell Ziffernanzeigen zu haben. Auf der Stromversorgungsplatine ist der Platz für Relais und Transformator reichlich bemessen.
Da das Anschlussschema der für die Leiterplattenmontage vorgesehenen Transformatoren unterschiedlicher Hersteller nicht genormt ist, lässt sich die Anschaltung durch das Bestücken entsprechender Drahtbrücken auf der Leiterplatte realisieren. Sollten mehreren Teilwicklungen vorhanden sein, ist ihr Wicklungssinn zu beachten. Entsprechend dem eingesetzten Transformator und dem Relais ist der Vorwiderstand RV zu bemessen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass das Relais für das Schalten von Netzspannung ausgelegt sein muss. Die Speisung des Steuerteils und der Anzeige erfolgt mit einer stabilisierten Spannung. Da der Taktgeber A1 erst ab etwa 4,5 V garantiert funktioniert, ist somit die untere Grenze der Betriebsspannung gegeben. Die Anzeigedecoder lassen einen Strom von maximal 10 mA je Segment zu. Um den Mehraufwand von 21 Segmentvorwiderständen zu vermeiden, sollte die Obergrenze der Betriebsspannung bei etwa 8 V liegen. Bestimmend für die Höhe der stabilisierten Spannung ist die Z-Diode VD5. Bei Verwendung anderer Exemplare lässt sich die Helligkeit der Anzeige den individuellen Vorstellungen anpassen. Die Anzeigeplatte wurde für Ziffernanzeigen der SA/SC-08-Serie (ehemals VQB 27/28) mit 20 mm Ziffernhöhe entwickelt. Anschluss 6 der Decoder ist zur Festlegung des Anzeigetyps mittels Drahtbrücke entsprechend zu beschalten. Bei Anzeigeelementen mit gemeinsamer Katode liegt er an Masse (Drahtbrücke gK), bei Bauelementen mit gemeinsamer Anode ist er mit UB (Drahtbrücke gA) zu verbinden.
Die Festlegung der Ein- und Ausschaltzeiten geschieht ebenfalls mit Drahtbrücken. Die Programmierung der maximalen Einschaltzeit erfolgt als dreistellige Dezimalzahl. Diese Zahl stellt die Zeit in Minuten dar. Jeder Dezimalstelle wird dafür an den Voreinstelleingängen E1 bis E4 der Einschaltzeitzähler D2 bis D4 eine Ziffer zwischen 0 und 9 zugewiesen, siehe Tabelle. Die Hunderter-Stelle ist auf die Ziffern 0 bis 3 begrenzt, denn 300 min entsprechen schon 5 h Einschaltzeit und somit Fernsehzeit.
Die Einstellung der Pausenzeit geschieht in ähnlicher Weise. Hier ist nur eine Hexadezimalziffer dargestellt. Diese ist als volle Stunde zu interpretieren. Da der Pausenzähler D9 binär arbeitet, sind hier Werte zwischen 0 und 15 möglich. Schaltungstechnisch wurde durch Anlegen eines H-Pegels an den Eingang EI bereits als minimaler Wert für die Pausenzeit 8 h festgelegt. Somit lässt sich mit der Beschaltung der Eingänge E1, E2 und E3 des D9 die Pausenzeit zwischen 8 h und 15 h einstellen.
Noch ein Hinweis zum Taktgenerator. Es ist ein 1-min-Takt an Q12 des Teilers D1 erforderlich. Damit ergibt sich für den Taktgenerator eine Frequenz von

Mit der im Stromlaufplan angegebenen Dimensionierung erzeugt der NE555 (A1) nach [1] eine Frequenz von

Eine exakte Einstellung auf den erforderlichen Wert ist mit dem Einstellwiderstand R5 ohne Weiteres möglich.

Schlussbemerkungen
Die wählbare Zeitbegrenzung und auch der modulare Aufbau der Schaltung haben sich seit mehreren Jahren hervorragend bewährt. Besonders eindrucksvoll ist die bei Erstinbetriebnahme ablaufende Startsequenz. Sie ist notwendig, um definierte Anfangsverhältnisse zu schaffen, da die Zähler beim Einschalten willkürliche Zustände aufweisen. Die Anzeige läuft dabei mit gerade noch erkennbarer Geschwindigkeit gegen Null, wodurch der Wunsch nach Manipulationsversuchen, wie z. B. dem häufigen Stecken und Ziehen des Netzsteckers, wirkungsvoll unterdrückt wird.
Der Taktgenerator mit dem Timer-IC besitzt eine für den hier benötigten Zweck völlig ausreichende Stabilität. Der nachgeschaltete Teiler stellt die Frequenzen für den Schnelldurchlauf (an Dl/Q2 etwa 17 Hz) und für das Blinken der Dezimalpunkte quasi nebenbei bereit. Ebenso bewährt hat sich die Festlegung der Einschalt- und Pausenzeit mittels Drahtbrücken. Eine Veränderung der einmal eingestellten Werte ist, wenn überhaupt, nur selten erforderlich, sodass sich der Einsatz von DIL-Schaltern nicht lohnt.
Die Stromfühlerschaltung reagiert auch, wenn das Fernsehgerät in den Stand-by Betrieb wechselt. Das kann durchaus eine erziehende Wirkung haben, denn der Fernseher sollte immer am Netzschalter ausgeschaltet werden. In diesem Zusammenhang ist allerdings anzumerken, dass die Schaltung ständig am Netz bleiben muss. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wäre die Versorgung der Steuerelektronik aus Akkumulatoren möglich, die immer dann nachgeladen werden, wenn das Fernsehgerät eingeschaltet ist.
Möglich wäre in diesem Zusammenhang auch der Einsatz eines handelsüblichen. Steckernetzteils. Das ändert aber nichts an der Tatsache, dass die Leiterplatte der Spannungsversorgung Netzspannung führt. Deshalb sind unbedingt die geltenden gesetzlichen Bestimmungen hinsichtlich des Berührungsschutzes, der Gestaltung der Leiterzüge, der Zugentlastung der Kabel etc. einzuhalten. Es ist ratsam, diesbezüglich Unterstützung bei einer autorisierten Elektrofachkraft nach DIN VDE 1000-10 zu suchen.
Die drei Platinen sind in einem nicht ohne Weiteres zu öffnenden Gehäuse unterzubringen, in das auch der Stecker des Fernsehgeräts führt. Auf diese Weise lässt sich das Umgehen der Zeitbegrenzerschaltung durch simples Umstecken des Netzsteckers des Fernsehgeräts unterbinden.

frank welzel@web.de

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zur Hauptseite		 © Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha © Frank Rost am 15. September 2012 um 11.20 Uhr

... dieser Text wurde nach den Regeln irgendeiner Rechtschreibreform verfasst - ich hab' irgendwann einmal beschlossen, an diesem Zirkus nicht mehr teilzunehmen ;-)

„Dieses Land braucht eine Steuerreform, dieses Land braucht eine Rentenreform - wir schreiben Schiffahrt mit drei „f“!“

Diddi Hallervorden, dt. Komiker und Kabarettist