Mosklok met 'slinger' en wekker
De in het septembernummer beschreven mosklok is uitgebreid met een kristaltijdbasis, noodvoeding en een 24-urig repeterend wekkersisteem. Deze uitbreidingen maken de klok wel wat duurder, maar zijn tevens elementen waarmee de klok een zeer nauwkeurig en universeel instrument wordt. Bovendien is het totaal ekstra stroomverbruik dat deze uitbreidingen vragen praktisch te verwaarlozen.
Van de hier besproken uitbreidingen brengt ongetwijfeld de noodvoeding de minste financiele konsekwenties met zich mee. Deze noodvoeding bevindt zich samen met de kristaltijdbasis op een print.
Het wekkersisteem, dat op een andere print kan worden aangebracht, is zeer universeel en is behalve voor 24-uren ook voor andere wekcycli geschikt. Om het geheel overzichtelijk te houden, worden alle uitbreidingen apart besproken, temeer omdat die uitbreidingen niet noodzakelijkerwijze tegelijk hoeven plaats te vinden. Allereerst zal aandacht worden besteed aan de noodvoeding.
Noodvoeding
Hoewel het eigenlijk niet is zoals het hoort, gebeurt het toch sporadisch, dat de spanning van het lichtnet het voor korte tijd (soms zelfs voor lange tijd!) laat afweten. Afhankelijk van de grootte van de voedingskapaciteit zal de gelijkspanning die de klok voedt na ca. 200 msekonde zijn weggevloeid. Daarmee is dan meteen het geheugen van het klok-IC MM 5314 leeggelopen, zodat de klok weer geheel opnieuw moet worden afgeregeld. Dit vormt op zichzelf niet zo'n geweldig probleem, maar een aantal korte storingen op een dag kan wel erg irriterend werken.
Wordt de klok tevens aangevuld met de kristal tijdbasis, dan kan, mits de tijdbasis goed is ingesteld, worden volstaan met een eenmalige afregeling. Met een klein 9 volts batterijtje ontstaat dan al een gangreserve van ca. 20 uren; een tijdsduur waarin ook de meest hardnekkige lichtnetstoringen wel zullen zijn verholpen.
De gangreserve biedt bijvoorbeeld ook de mogelijkheid om zonder tijdstop de klok te verplaatsen van woon- naar slaapkamer.
Ontwerp
Omdat het klok-IC MM 5314 geheel is opgebouwd uit monolitische MOScircuits kan de stroomopname hiervan in vergelijk met the van de displays wel worden verwaarloosd. De totale stroomopname van de klok bij 15 V voeding is ca. 250 mA, waarvan de uitlezing (displays) ruim 240 mA voor .zijn rekening neemt. Mede hierom is bij het klok-IC een zogenaamde strobeingang aanwezig (punt 1 van het IC) die bij normaal gebruik van de klok '1' is. Wordt de strobe-ingang echter '0' gemaakt dan wordt de hele uitlezing onderdrukt en krijgen alleen de delercircuits en het geheugen nog voeding. Deze circuits blijken nog goed te werken op een voedingsspanning van 7 V.
Voor een effektieve noodvoeding met een kleine batterij is het dus gewenst dat direkt bij het uitvallen van de normale voeding de strobe-ingang '0' wordt, zodat de stroomopname terug loopt naar ca. 8 mA. Uiteraard moet wel de mogelijkheid aanwezig zijn om bij gebruik van de noodvoeding de uitleescircuits zo nu en dan even te laten werken.
Een schakeling die dit mogelijk maakt is gegeven in figuur 1. Deze schakeling wordt gestuurd op punt BS vanuit de sekundaire trafowikkeling. Dit punt is op de klokprint aangegeven.
Figuur 1. Zonder extra voorzieningen zal bij de mini-klok, als de netvoeding uitvalt, de momentele geheugenstand vrijwel onmiddellijk verloren gaan. Als de klok wordt voorzien van een schakeling die de 'strobe' stuurt, vanuit de wisselspanning, ontstaat een extra geheugentijd van ca. 1 sekonde. Bij toepassing van een extra batterij kan deze geheugentijd worden verlengd tot ongeveer een dag.
Als er netspanning is, zal de sekundaire trafospanning op punt BS via D1 worden gelijkgericht, zodat kondensator C1 wordt geladen. Via weer-stand R1 wordt transistor T1 dan in verzadiging gestuurd. De kollektorspanning van deze transistor is dan zo laag dat transistor T2 niet wordt gestuurd. De kollektor van T2 ligt via weerstand R4 en drukknop Drl aan de strobe-ingang van het klok-IC. Dit punt (SB) is ook op de klokprint aangegeven.
Als transistor T2 gesperd is, wordt de strobe-ingang van het klok-IC relatief hoogohmig belast en deze ziet daardoor een '1', zodat de displays gewoon oplichten.
Valt echter de lichtnetspanning uit, dan voert punt BS in figuur 1 geen spanning meer en zal C1 zich zo snel ontladen dat transistor T1 binnen. 5 msekonde gesperd is. Via weerstand R2 en R3 wordt nu de basis van T2 opengestuurd, waardoor de kollektoremitterweerstand hiervan afneemt tot ca. 200 ohm. Daardoor wordt punt SB via weerstand R4 '0' en wordt in het klok-IC de voeding voor de uitleescircuits verbroken.
Zonder batterij ontstaat met de schakeling volgens figuur 1 al een ekstra geheugentijd van ca. 2 sekonden na het wegvallen van de lichtnetspanning.
Als knop Drl in figuur 1 wordt ingedrukt, wordt de strobe-ingang van het klok-IC weer '1' en zullen, bij aanwezigheid van een batterij, de displays weer oplichten. In plaats van een drukknop kan voor Dr 1 ook een enkelvoudige schakelaar worden genomen. Knop Drl heeft alleen nut als ook de kristaltijdbasis wordt ingebouwd.
Praktische uitvoering
Voor de noodvoeding hoeft alleen een batterij met een serieweerstand over de voedingselko van de eigenlijke klok te worden geplaatst. In figuur 2 is het betreffende detail van de klokvoeding getekend: de ekstra batterij met serieweerstand Rs staan parallel over de voedingselko.
Voor de batterij kan gemakkelijk een zogenaamd mini-powerpack worden genomen. In het ontwerp van de print is trouwens met het gebruik van dit tipe batterij rekening gehouden.
Weerstand R5 uit figuur 2 mag een minimum waarde hebben van 82 Ω bij noodvoeding is de lichtopbrengst van de displays dan het grootst. Een lage weerstandswaarde voor R5 heeft echter het nadeel dat de klokvoeding sterker wordt belast.
Figuur 2. De mini-klok kan gemakkelijk van een noodvoeding worden voorzien. Deze hoeft alleen te bestaan uit een 9-Volts batterij met een serieweerstand van 120 Ω
Kristaltijdbasis
De voordelen van een kristaltijdbasis zijn wel duidelijk: de klok is hiermee niet meer afhankelijk van het lichtnet voor zijn sturing, terwijl tegelijk een zeer hoge nauwkeurigheidsgraad wordt bereikt.
Voor deze kristaltijdbasis is gebruik gemaakt van een komplementair MOS-IC, dat behalve een kristaloscillator ook de nodige delers bevat voor het verkrijgen van de 50 Hz bloxpanning waarmee de klok moet worden gestuurd.
Figuur 3 geeft een vereenvoudigd bloxchema van dit IC dat door de fabrikant INTERSIL op de markt wordt gebracht onder de kodering ICM7038A.
Figuur 3. Het intersil IC tipe ICM7038A (Nijkerk/Amsterdam) bevat onder andere een 16-traps deler en een kristaloscillator. Voor de oscillator hoeft alleen het kristal met twee kapaciteiten ekstern te worden aangesloten.
Het IC is opgebouwd uit komplementaire MOS-circuits waardoor de eigen totale vermogensdissipatie ekstreem laag wordt.
In figuur 3 stellen de transistoren T1 en T2 een deel van de kristaloscillator voor. Tussen de omcirkelde punten 7 en 8 worden extern twee kondensatoren en het kristal aangebracht. Achter de oscillator (figuur 3) is een inverter (I) opgenomen, die wordt gevolgd door maar liefst 16 deler-trappen. Achter de 16e deler bevinden zich twee inverse uitgangstrappen waarop een blokgolfvormig signaal relatief laagohmig beschikbaar is om verder te worden verwerkt. De delertrappen D1 t/m D16 zijn allen binair (zonder terugkoppelingen) zodat de uitgangsspanning achter de 16e deler een frekwentie heeft die gelijk is aan:
f = fo / 216 = fo / 65536.
Hierin is fo de oscillatorfrekwentie en f de uitgangsfrekwentie achter de 16e deler.
Zoals uit figuur 3 blijkt heeft het IC achter de 13e deler ook nog een uitgang, die voor verschillende doeleinden kan worden gebruikt. In tegenstelling tot de uitgangen achter de 16e deler, die komplementair zijn, kan deze uitgang alleen stroom leveren.
In figuur 3 is verder te zien dat alle belangrijke punten zijn beveiligd met behulp van zenerdioden. Dit laatste houdt echter niet in, dat het IC net zo mag worden behandeld als TTL: voorzichtigheid blijft geboden.
Het aanraken van de aansluitpunten van het IC met de vingers moet zoveel mogelijk worden vermeden, terwijl het IC het beste met behulp van een voetje op de print kan worden gemonteerd. De belangrijkste specifikaties van de ICM7038A staan in tabel 1. Opmerkelijk is hierbij de lage voedingsspanning (1,6 ... 4 V) en de geringe opgenomen stroom (gemiddeld 90 4A). Een vergelijking van dit IC met TTL-IC's in gangbare tijdbases valt dan ook wel sterk in het voordeel van eerstgenoemde uit.
| voedingsspanning | 1,6 V ... 4 V (5 V maximaal) |
| opgenomen stroom | 60 µA (Ub = 2,2 V); 130µA (Ub=3,6V) |
| uitgangsweerstand | 230 Ω zowel bij p- als n-uitgangskonditie (Io=3mA) |
| alarm-uitgangsweerstand | 200 Ω (Ia = 3mA) |
| oscillatorstabiliteit | 0,1 p.p.m. |
| oscillatorstarttijd | 0,1 sek (Ub=3V); 1 sek (Ub = 2,2V) |
| minimum oscillatorfrekwentie | 0,2 MHz (Ub = 1,6V) |
| maximum oscillatorfrekwentie | 10 MHz |
| vermogensdissipatie | 300 mW maximaal |
| ingangsspanning oscillator | ≤ Ub |
| behuizingstemperatuur | -30°C ... +125°C maximaal |
| omgevingstemperatuur | -20°C ... +70°C maximaal |
| uitgangsspanning | Ub op alle uitgangen |
| uitgangsstroom bij Uo = 0 | 80 mA maximaal |
| Uo ≈ Ub | 18 mA maximaal |
| uitgangsstroom alarm (Ua ≈ Ub) | 30 mA maximaal |
Figuur 4 geeft ter verduidelijking de eksterne aansluitgegevens van het ICM7038A.
Figuur 4. De eksterne aansluitpunten van het ICM7038A IC dat alleen verkrijgbaar is in een 8-pens DIL behuizing.
Vanwege de COS/MOS eigenschappen is het raadzaam bij dit IC altijd een voetje te gebruiken.
Mocht de oscillator noet starten can C3 verkeleinen tot 8p2.
Schakeling
Figuur 5 geeft het schakelschema van de komplete tijdbasis zoals deze in de mini-klok wordt toegepast.
Figuur 5. De komplete 50 Hz referentiebron voor de mini-klok. De dioden D2 t/m D6 zijn als beveiliging opgenomen en zorgen ervoor dat de IC voedingsspanning niet boven ca. 3,5 V kan komen.
De IC-uitgangsspanning is te klein om direkt de klokingang to sturen. Daarom brengt transistor T3 dit op een akseptabel nivo dat ongeveer gelijk is aan de totaal aangelegde voedingsspanning.
Omdat de klokvoeding tussen 8 V en 18 V ligt moet een speciaal circuit worden aangebracht dat ervoor zorgt dat het tijdbasis IC niet meer dan 5 V krijgt. Een zenerdiodestabilisatie heeft het nadeel dat er relatief veel energie verloren gaat omdat de stabilisatie minstens 10x meer stroom verbruikt dan het tijdbasis IC.
De eenvoudigste oplossing is eigenlijk die uit figuur 5: het IC wordt gevoed via een weerstand R6, terwijl over het IC een elko (C4) is geplaatst. De dioden D2 t/m D6 zorgen ervoor dat de voedingsspanning nooit boven ca. 4 V kan komen.
In figuur 5 vormen C2, C3 en het kristal de eksterne komponenten voor de oscillator. Voor het kristal moet een tipe worden genomen dat geslepen is voor parallel-resonantie met een eksterne parallelkapaciteit van nominaa1 12 pF. De kristalfrekwentie moet voor 50 Hz uitgangsreferentie liggen op 3,2768 MHz. Met kondensator C2 kan de oscillator worden afgeregeld. Als er geen afregelapparatuur aanwezig is (zoals bijvoorbeeld een counter) dan is de eenvoudigste oplossing de klok gelijk te zetten met het tijdsein van de telefoon (002) en afhankelijk van de waargenomen afwijking de oscillator enige malen bij te regelen.
Om de uitgangsspanning van IC1 uit figuur 5 geschikt te maken voor kloksturing, is transistor T3 in de schakeling opgenomen. De kollektor hiervan wordt verbonden met punt X op de klokprint, waarna weerstand R22 (100 k) van deze print wordt verwijderd.
De print
Figuur 6 geeft de lay-out van de gang-reserve print waarop de schakeling volgens figuur 1, 2 en 5 kunnen worden aangebracht.
Figuur 6. De print lay-out voor de schakelingen volgens de figuren 1, 2 en 5.
De komponentenopstelling van deze schakelingen is gegeven in figuur 7, terwijl figuur 8 ten overvloede nog een foto toont van de kompleet gebouwde print, die op de aanwezige trafo bevestigd kan worden.
Figuur 7. De komponentenopstelling van de print van figuur 6.
Figuur 8. Een foto van de komplete print met de schakelingen volgens de figuren 1, 2 en 5.
Het geheel is zo klein geworden dat er altijd wel een plaatsje in de bestaande behuizing is, waar de nieuwe print kan worden aangebracht.
Om de bouw van de gangreserveprint te vergemakkelijken zijn de komponentenwaarden van figuur 1, 2 en 5 doorgenummerd. Wordt alleen een noodvoeding voor korte netstoringen op prijs gesteld, dan hoeft alleen de schakeling van figuur 1 op de print te worden gemonteerd. Moet de klok ook een langere geheugenreserve hebben dan worden de batterij en weerstand uit figuur 2 toegevoegd. Ook de kristaltijdbasis van figuur 5 kan op dezelfde print ondergebracht worden.
| R1,R3 | 100 k |
| R2,R7 | 27 k |
| R4 | 10 k |
| R5 | 120Ω |
| R6 | 15 k |
| R8 | 47 k |
| C1 | 0,1 µF |
| C2 | 5 ... 30 p trimmer |
| C3 | 15 p |
| C4 | 220 µF, 10V |
| T1,T2 | BC107B, BC237B |
| T3 | TUN |
| D1 | BAY61, BA127 |
| D2,D3,D4,D5,D6 | DUS |
| IC1 | ICM7038A (intersil) |
| Dr1 | drukknop met verbreekkontakt |
| X-tal | 3,2768 MHz kristal; parallel-resonantie met 12 p extern |
| 18-pens DIL IC-voet voor IC1 |
Autoklok
Hoewel het natuurlijk een dure aangelegenheid is, kan de klok, wanneer hij is uitgerust met noodvoeding en kristaltijdbasis, ook uitstekend worden gebruikt in auto's. Als deze auto's maar een elektrische installatie hebben van 12 V, maakt het verder geen verschil of hierbij de plus of min aan massa ligt.
Trafo en bruggelijkrichter van de klok kunnen vervallen omdat de akkuspanning rechtstreeks over de voedingselko kan worden aangesloten. De spanning kan het beste rechtstreeks van de akku (dus niet via het kontaktslot) worden betrokken. Er dient dan wel een zekering van 500 mA in de voedingslijn te worden opgenomen.
In plaats van de schakeling volgens figuur 1 kan het beste een enkelvoudige schakelaar tussen de strobeingang van het klok-IC en de voedingsnul van de klok worden aangebracht. Ms men bij het verlaten van de auto deze schakelaar sluit, loopt de-stroomopname terug tot ca. 12 mA.
Tot slot
Tijdens het testen bleek de klok, voorzien van alle uitbreidingen, toch wel een bizonder handig en betrouwbaar apparaat.
Door de kombinatie noodvoeding/tijdbasis trekt de klok zich nets meer aan van storingen en de wekker in zijn huidige vorm bleek zeer doeltreffend (en dus erg hinderlijk 's morgens!) te funktioneren. De kristaltijdbasis tenslotte gaf, na even te zijn ingeregeld, de klok een nauwkeurigheid die groter dan 1 sekonde per maand was.
Omdat de drie ekstra schakelingen worden gevoed vanuit de reeds aanwezige klok is slechts en voedingslijn nodig. Het stroomverbruik van de drie nieuwe schakelingen is zo laag, dat er nauwelijks van een ekstra belasting kan worden gesproken.
