UV-Belichter-Timer mit AVR
von Johannes Fechner (jofe)
Im Folgenden wird ein einfacher Zeitschalter mit Relais, 7-Segment-LED-Display und Infrarot-Fernbedienbarkeit vorgestellt, der für das UV-Belichten von Platinen entworfen wurde, aber auch für andere Zwecke verwendet werden kann. Als Controller kommt ein ATmega48 zum Einsatz, der aber selbstverständlich durch pinkompatible Typen (z. B. ATmega328P) ersetzt werden kann; die Firmware müsste dann ggf. leicht angepasst werden.
Draufsicht
Schaltplan
Fernbedienung (Beispiel)
Begründung einiger Design-Entscheidungen
Warum IR-Fernbedienung?
Ausschlaggebender Grund für den Einbau eines IR-Empfängers anstatt von Tastern oder einem Drehimpulsgeber war zunächst, daß das gewählte Gehäuse (→Reichelt) zufällig mit beiliegender Dichtung als IP65 klassifiziert ist, und da diese Schutzart nun einmal gegeben war, erschien es mir erstrebenswert, diese zu erhalten und nicht durch Bohrungen im Oberteil für Knöpfe etc. zu zerstören.
Zum Zweiten ermöglicht der Gebrauch einer Fernbedienung mit Ziffernfeld, wie sie ja wohl in den meisten Haushalten ohnehin vorhanden sein dürfte, die komfortable direkte Eingabe der gewünschten Count-Down-Zeit, anstatt mehrmals Plus/Minus drücken bzw. rechts/links drehen zu müssen.
Somit erschien mir diese Lösung, eine vorhandene IR-Fernbedienung für die Steuerung des Timers zu verwenden, als einfach, bequem und kostengünstig zugleich.
Warum Relais und nicht Triac/SSR?
Mein UV-Belichter (a.k.a. Gesichtsbräuner) enthält Leuchtstoffröhren mit konventionellem Vorschaltgerät, stellt also eine stark induktive Last dar. Ein Triac/SSR bräuchte damit zwingend einen Snubber; dieser würde jedoch durch den dann ständig fließenden Reststrom ein Nachglimmen der Röhren bewirken. Ein mechanisches Relais, das zudem zweipolig abschaltet, erschien mir daher in diesem Anwendungsfall als die beste Lösung.
Anmerkungen zur Schaltung
Anmerkung zu C4 und C5
Die Werte dieser beiden Keramikkondensatoren richten sich nach dem verwendeten Quarz Y1; ausschlaggebend ist dessen Nenn-Lastkapazität CL, daraus erfolgt die Berechnung wie im Artikel Quarze und AVR erklärt. Vorzuziehen sind Quarze mit nicht allzu großer CL, sodass Werte für C4 und C5 von ≤ 33 pF, besser ≤ 22 pF (insb. bei höheren Frequenzen) resultieren.
Anmerkung zu C7
Dieser Kondensator am Ausgang von U2 muss einen ESR im Bereich 0,1…10 Ω haben; dies wird im Datenblatt des LF50 gefordert (siehe CO, Output bypass capacitance unter Electrical Characteristics). Tantal-Kondensatoren bieten hier Vorteile, da sich ihr ESR über weite Temperaturbereiche hinweg relativ wenig ändert.
Anmerkung zu C9
C9 dient der Entstörung, kann aber vermutlich auch weggelassen werden. Der Kapazitätswert ist unkritisch, auf jeden Fall muss es aber ein X2-Typ sein.
Anmerkung zu D5…D8
Für die Gleichrichterdioden D5…D8 wurde ein Schottky-Typ SB140 gewählt, um den Spannungsverlust möglichst gering zu halten. Am praktischen Aufbau hat sich jedoch gezeigt, dass der Trafo auch unter Vollbelastung (Relais angezogen und sämtliche LED-Segmente leuchten) weit mehr Spannung als erwartet abgibt. Daher können für D5…D8 auch problemlos normale 1N400x eingesetzt werden.
Anmerkung zu L1
Die 10-µH-Drossel L1 könnte hier auch durch einen 47-Ω-Widerstand (bzw. durch eine Drahtbrücke) ersetzt werden, da zur Auswertung der lediglich fünf verschiedenen Spannungen der Taster-Spannungsteiler ja nur eine geringe ADC-Genauigkeit (bzw. bei Nicht-Benutzung der Taster-Anschlüsse der ADC überhaupt nicht) benötigt wird.
Anmerkung zu Q2…Q6
Die Low-Side-Treiber des LED-Displays Q2 bis Q6 arbeiten in Kollektorschaltung. Dies bietet zwei Vorteile: Zum einen können die Transistoren dadurch nicht in Sättigung geraten, zum anderen entfallen gegenüber der Emitterschaltung die Basiswiderstände aufgrund der inhärenten Gegenkopplung. Die C-E-Spannungsabfälle von (betragsmäßig) ca. 0,6 V sind unproblematisch, da mit der Betriebsspannung von 5 V genügend Reserve vorhanden ist.
Anmerkung zu Y1
Für den Schwingquarz Y1 können auch Typen mit höherer Frequenz als 4 MHz verwendet werden. Bis zur maximalen Taktfrequenz des verwendeten Controllers (20 MHz bei den neueren Typen ohne V-Suffix oder z. B. 8 MHz beim ATmega8L) sind grundsätzlich alle Werte möglich. Die Firmware muss dann selbstverständlich angepasst werden (Symbol F_CPU, evtl. erhöhtes Prescaling der Timer 0/1 und 2).
Teileliste und Bezugsquellen
Folgende Tabelle informiert über Typen, Hersteller und mögliche Lieferanten der verwendeten Bauteile. Die Angaben sind zum großen Teil nur als Beispiele zu verstehen.
| Referenz | Typ | Hersteller | Bezugsquelle (Bsp.) |
|---|---|---|---|
| (Gehäuse) | 4U63181306437 | Box4U | Reichelt |
| C7 | TAJB106K020RNJ | Kyocera AVX | Reichelt |
| C9 | ECQUAAF104M | Panasonic | Reichelt |
| C10…C12 | (1 mF, 16 V, RM 5) | (?) | Reichelt |
| D5…D8 | SB140 | Diotec | Reichelt |
| D9 | LC-204VL | Rohm | Pollin |
| F1 | Feinsicherung 5×20 mm, 5 A, mittelträge | Eska | Pollin |
| H1 | SK 13/35 AL-220 | Fischer | Reichelt |
| J1, J3 | CTB2202/2 | Camdenboss | Reichelt |
| K1 | 40.52.9.006.0000 | Finder | Reichelt |
| L1 | MICC-100K-02 (s. Anm.) | Fastron | Reichelt |
| T1 | VB 2,8/1/6 | Block | Reichelt |
| U1 | ATmega48-20PU | Atmel/Microchip | Reichelt |
| U2 | LF50CV | ST Microelectronics | Reichelt |
| U3 | TSOP31236 | Vishay | Reichelt |
| Y1 | (4 MHz, HC49U-S, CL=20 pF) | (?) | Reichelt |
Schaltplan und Layout (KiCad)
KiCad-6-Projekt als Zip-Archiv (176 KB).
Quelltext (Assembler)
Geschrieben in Assembler für den ATmega48:
- Version 2023-10-24, unterstützt die IR-Modulation „NEC“.