Pierce-Oszillator mit dem 4060 cmos-ic

Gast #4532614
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Hallo,
Ich möchte eine Binäruhr mit einem 32,768kHz Quarz bauen. Dafür habe ich 
mir bei Conrad die benötigten Bauelemente gekauft.
Leider funktioniert die Schaltung nicht.
Ich habe nun Fragen zu möglichen Fehlern und der GENAUEN Funktionsweise.
Leider finde ich im Internet auch keine Formeln, mit denen ich die Werte 
berechnen kann, ich kenne mich zudem mit Quarzen nur schlecht aus.
Ich habe verstanden, dass durch eine Verbindung des Ausganges eines 
Inverters mit dessen Eingang einen sehr schneller Takt erzeugt wird.
1. Kann nun jemand mir erklären, wie durch das Quarz bzw. die 
Kondensatoren der Takt auf 32,768 verlangsamt wird? Oder wird er erhöht?
2. Das Quarz besitzt auch eine induktive Komponente. Fließt dieser 
"induzierte"Strom über den zum Quarz parallelen Widerstand oder die 
Kondensatoren ab?
3. Ich dachte, das Quarz wird durch eine Frequenz angeregt, die ein 
ganzzahliges positives Vielfaches der Eigenfrequenz des Quarzes beträgt. 
Das wäre nun hier nicht der Fall, die Frequenz ist mir unbekannt...
4. Inwiefern ist die Frequenz eines Quarzes spannungsabhängig?
5. Wie verlangsamt der Quarz das Schwingen der Oszillatorschaltung? Der 
Strom fließt vermutlich über den zum Quarz parallelen Widerstand. Wird 
dadurch der Strom des nun folgenden Taktes "blockiert", also durch den 
Widerstand nicht durchgelassen?
6. Wozu dienen die Kondensatoren?!
7. Kann man diese Ersatzschaltung verwenden (die Formel für die Frequenz 
ist gegeben), um einen ungefähren 32,768kHz Takt zu erzeugen, und daran 
das Quarz anschließen (s. Frage 3) und somit die Frequenz stabilisieren?

Das sind erstmal die wichtigsten Fragen. 1. und 5. sind, wie ich sehe, 
die selben Fragen.

Könnt ihr bitte, wenn ihr solche Werte kennt, mir schreiben, wie groß 
die C und die R sein sollen?
Ich verwendete C=22pF, R=1MOhm.

Vielen Dank!!
Pascal
Gast #4532636
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Aubacke! Studierst du Physik oder sowas? Viele tiefschuerfende Fragen, 
aber unnoetig und irgendwie nicht richtig im Thema und es mangelt dir 
auch sehr an Grundlagen. :-)

Lies doch einfach mal die vielen Datenblaetter und Applikationen die es 
von den unterschiedlichen Herstellern des 4060 gibt. Zwar ist gerade der 
32khz Quarz nicht so schwingfreudig, aber du bist nicht der erste der 
das machen will. Beachte aber das es unterschiedliche 32khz Quarze gibt 
welche eine andere Kondensatorbeschaltung haben wollen.
Es ist ausserdem normal das ein 32khz Oszillator nicht mehr so recht 
schwingt wenn man einen Tastkopf dran haelt. Und auch der physikalische 
Aufbau ist sehr wichtig. Breadboard kannst du da gleich knicken! Und 
wenn deine Schaltung einen 10Megaohm Widerstand enthalten sollte, dann 
kann es auch nicht schaden wenn man das Loetfett von der Platine 
entfernt. .-)

Olaf
Gast #4532667
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Olaf schrieb:
> Aubacke! Studierst du Physik oder sowas?
Ich habe Physik LK (2. Semester)
> Zwar ist gerade der 32khz Quarz nicht so schwingfreudig, aber du bist nicht der 
erste der
> das machen will. Beachte aber das es unterschiedliche 32khz Quarze gibt
> welche eine andere Kondensatorbeschaltung haben wollen.
Welche Quarze sind denn "schwingfreudig" und können relativ einfach mit 
Frequenzteilern einen 1Hz-Takt erzeugen?
> Und
> wenn deine Schaltung einen 10Megaohm Widerstand enthalten sollte
dann
> kann es auch nicht schaden wenn man das Loetfett von der Platine
> entfernt. .-)
>
> Olaf
Ganz zufälliger weise nutze ich KEIN Lötfett
Zinn 60 Blei 40 pro cent

Trotzdem danke für die Antwort.
Wäre es für mich vielleicht sinnvoll einen fertigen Oszillator zu 
nehmen?
Dann müsste ich aber 4x1.5V Bazterien nehmen (weil der 5v braucht), und 
von den 6v die 1v in wärme am widerstand "verpuffen" lassen... das ist 
nicht wirklich effektiv (energieverschwendung)...
#4532690
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Hallo,

bin mit Deiner Problembeschreibung auch nicht ganz klargekommen...
In diesem Datenbaltt von Fairchild ist auf Seite 3 eine Bespielschaltung 
mit Dimensionierung.
https://www.fairchildsemi.com/datasheets/CD/CD4060BC.pdf

Zusammenlöten und testen, ob der Kram mit Deinem Quarz anschwingt.
Messen an Pin 9 oder eben irgendwo am Teiler, so daß der Oszillator 
nicht belastet wird.
1M könnte zu niederohmig sein bei 32kHz, ich hatte 4,7M oder 10M in 
Erinnerung, Fairchild nimmt soagr 15M. Die je 22p könnten noch passen.
Der Trimmer in der Schaltung ist zum Feinabgeleich der Frequenz, erstmal 
Deinen 22p statt dessen nehmen.

Ob es geht siehst Du doch an den Counterausgängen, da reicht doch schon 
eine LED + Vorwiderstand zum Nachschauen.

Gruß aus Berlin
Michael
Gast #4532714
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> Welche Quarze sind denn "schwingfreudig" und können relativ einfach mit
> Frequenzteilern einen 1Hz-Takt erzeugen?

Alle anderen Quarze. :-)

Also sagen wir mal 1Mhz und darueber. 32khz sind schon etwas sensibel. 
Aber natuerlich kann man sie auch am 4060 anschliessen und in einem der 
Datenblaetter stand auch drin wie es geht.

Du kannst auch 4.19xxMhz nehmen. Ich weiss jetzt aber nicht ob der 4060 
dafuer genug Teilerstufen enthaelt. Notfalls halt mal selber kurz 
rechnen.

> Ganz zufälliger weise nutze ich KEIN Lötfett
> Zinn 60 Blei 40 pro cent

Ach? Was glaubst du wohl was sich in deinem Loetzinn befindet?

Also 32khz Quarz geht, du kannst das schon machen, aber verlangt etwas 
sorgfalt beim Schaltungsaufbau, Kondensatorauswahl und Auswahl der 
Schaltung. Alle anderen Quarze machen dir den Aufbau etwas einfacher, 
verlangen aber etwas mehr Strom.

Olaf
Gast #4532730
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:
>> Ganz zufälliger weise nutze ich KEIN Lötfett
>> Zinn 60 Blei 40 pro cent
Olaf schrieb im Beitrag #4532714
> Ach? Was glaubst du wohl was sich in deinem Loetzinn befindet?

Was für ein begnadeter Dummschwätzer!

Olaf schrieb:
> Also 32khz Quarz geht, du kannst das schon machen, aber verlangt etwas
> sorgfalt beim Schaltungsaufbau, Kondensatorauswahl und Auswahl der
> Schaltung.

Olaf schrieb:
> Du kannst auch 4.19xxMhz nehmen. Ich weiss jetzt aber nicht ob der 4060
> dafuer genug Teilerstufen enthaelt. Notfalls halt mal selber kurz
> rechnen.

Hast Du irgendetwas Anderes als Binsenweisheiten und Allgemeinplätze zu 
bieten? Offenbar nicht.
Gast #4532750
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Harald W. schrieb:
> Pascal schrieb:
>
> Wäre es für mich vielleicht sinnvoll einen fertigen Oszillator zu
> nehmen?
>
> Nimm doch die Elektronik aus einem billigen Quarz-Analogwecker.
> Da kannst Du vorher sogar testen, wie genau der ist.

Wahrscheinlich eine gute Idee.
Wie ist denn so ein billiger wecker aufgebaut? Hat der Schrittmotor 
Anschlüsse für 1Hz, 1/60 Hz und 1/3600 Hz oder nur für 1Hz und 
beinhaltet dafür frequenzteiler-Flipflops?
#4532757
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Pascal schrieb:

> Hat der Schrittmotor
> Anschlüsse für 1Hz, 1/60 Hz und 1/3600 Hz oder nur für 1Hz und
> beinhaltet dafür frequenzteiler-Flipflops?

Das IC hat typisch zwei Anschlüsse für den Schrittmotor.
Der Takt beträgt 0,5Hz pro Anschluss. Am besten baut man
ein Oder-Gatter aus zwei parallelen Transistoren, die dann
auch gleich die Pegelwandlung übernehmen.
Gast #4532766
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> Was für ein begnadeter Dummschwätzer!

Das hier verlinkte Datenblatt sieht einen Widerstand von 15MOhm in der 
Rueckkopplung vor. Glaubst du wirklich es ist egal ob da noch etwas 
Dreck vom Loeten dran ist? Vielleicht wenn du so ein alter Opa bist der 
nur bedrahtet kennt, aber sonst sollte man da schon sauber machen.

Olaf
#4532896
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Hallo,

hier nochmal einer der alten Opas...
Natürlich sollte man an solchen Stellen Flußmittelreste entfernen, 
allerdings hätte ich was gegen Flußmittel mit solcher Leitfähigkeit.
Problem ist, daß sich Staub und Feuchtigkeit dran festsetzen und den 
Kram dann besser leiten lassen.

Zu allen sonstigen Anmerkungen: 4060, irgendein Uhrenquarz.
2x 22p geht, 1M ist zu niederohnimg, 6,8M schwingt stabil an mit den 
beiden Quarzen, die ich gerade zur Hand hatte.

Genau Frequenz habe ich nicht kontrolliert, mein "Prüfstift" sagt 
32,77kHz, der kann nicht genauer.

Olaf schrieb:
> Breadboard kannst du da gleich knicken!

Natürlich auf einem Steckbrett, ich wollte jetzt nicht auch noch löten.

Das hier doch so oft erstmal die Pferde scheu gemacht werden müssen...

Gruß aus Berlin
Michael
Angehängte Dateien:
#4532905
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Michael U. schrieb:

> hier nochmal einer der alten Opas...
> Natürlich sollte man an solchen Stellen Flußmittelreste entfernen,

Eigentlich kennen sich "die Alten" damit sogar besser aus, weil
"die alten" Röhrenschaltungen wesentlich hochohmiger aufgebaut
waren. Bei normalen "Bipo"-Schaltungen dagegen spielt ein
Megohm mehr oder weniger normalerweise keine Rolle.

> 1M ist zu niederohnimg, 6,8M schwingt stabil an mit den
> beiden Quarzen, die ich gerade zur Hand hatte.

Bei CMOS-Schaltungen muss man natürlicvh schon auf hochohmigen
Aufbau achten.

>> Breadboard kannst du da gleich knicken!
>
> Natürlich auf einem Steckbrett,

Steckbretter haben zwar manchmal Kontaktprobleme, insbesondere
wenn man sich damit nicht auskennt (zu dicke Drähte), Nieder-
frequenzschaltungen kann man damit aber problemlos aufbauen.
Gast #4532917
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@Michael U.:
Welche Spannung hast du verwendet?
(Ich vermute mal 5V 1A?)
Ist es auch möglich 9V zu verwenden?
(Wäre toll wenn du das ausprobieren würdest, ich habe leider nicht so 
einen "Prüfstift")
(Firma: 100nF 0603 X7R) #4532920
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Michael U. schrieb:
> In diesem Datenbaltt von Fairchild ist auf Seite 3 eine Bespielschaltung
> mit Dimensionierung.
> https://www.fairchildsemi.com/datasheets/CD/CD4060BC.pdf

Die Schaltung war genauso auch im National Semiconductor CMOS Datenbuch.
Hat vor vielen Jahren in einem Gerät immer gut funktioniert, habe aber 
10Meg statt 15Meg gewählt. Die Leiterplatte wurde nach der Bestückung 
gut gereinigt und danach lackiert (Kundenanforderung). VCC war 5V.
Es gab nie Probleme mit dieser Schaltung.

Grüße,
Jörg
#4532968
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Hallo,

Pascal schrieb:
> @Michael U.:
> Welche Spannung hast du verwendet?
> (Ich vermute mal 5V 1A?)
5V Stekcernetzteil, Strom keine Ahnung, 500mA vielleicht. Die Schaltung 
braucht selbst vermutlich ein paar µA bei der Taktfrequenz.

> Ist es auch möglich 9V zu verwenden?
Der CD4060BE kann auch mit 9V betrieben werden, warum gerade 9V?
Evtl. sind dann statt der 6,8M doch eher 10M nötig.
> (Wäre toll wenn du das ausprobieren würdest, ich habe leider nicht so
> einen "Prüfstift")
Der Prüfstift ist ja auch meiner, wörtlich. ;-)
http://www.avr.roehres-home.de/multimeter/index.html

Eine LED am letzten Ausgang reicht doch zur Probe erstmal. Nicht 
vergessen Reset des 4060 richtig anzuschließen.

Gruß aus Berlin
Michael
#4533009
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Michael U. schrieb:

> Der CD4060BE kann auch mit 9V betrieben werden, warum gerade 9V?

9V ist bei vielen Anfängern beliebt, obwohl die entsprechenen
Blockbatterien so ziemlich das schlechteste Preis/Energie-
Verhältnis haben. Das IC arbeitet typisch bis 15V.

> Eine LED am letzten Ausgang reicht doch zur Probe erstmal.

Bis ca 6V kann man da sogar auf den Vorwiderstand verzichten.
Bei höheren Spannungen aber nicht.
#4533024
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Hallo,

Harald W. schrieb:
> 9V ist bei vielen Anfängern beliebt, obwohl die entsprechenen
> Blockbatterien so ziemlich das schlechteste Preis/Energie-
> Verhältnis haben.

Ich hätte eher angenommen, inzwischen sind übriggeblieben 
5V-Handynetzteile die Lieblingsversorgung, bei mir sind sie es z.Z. 
jedenfalls.

Batterien... Früher (tm) waren es 4,5V Flachbatterien, reichte dann auch 
bei TTL durchaus noch.
Dummerweise habe ich dann in einer kleinen Schaltung 3 Tage den Fehler 
gesucht und es ging immer weniger bis ich auf die Idee kam, daß auch 
Flachbatterien leer werden...

>Bis ca 6V kann man da sogar auf den Vorwiderstand verzichten.
>Bei höheren Spannungen aber nicht.

Das laß hier bloß keinen lesen... ;-)

Gruß aus Berlin
Michael
Gast #4533049
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Ändert sich bei 6V Versorgungs-U statt 5V die Frequenz bemerkenswert (-> 
Strombegrenzungswiderstand, der aus den 6V durch einen Spannungsabfall 
von 1V 5V "macht" notwendig?) oder kann ich dir Beschaltung bei dem 
lassen wie es ist?
Gast #4533073
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Sehr gerne:
mit "bemerkenswert" meine ich in diesem Fall, dass die Abweichung von 
der echten Zeit nicht mehr als vielleicht 1-5min pro Tag beträgt, wobei 
das auch schon das höchste wäre, was ich in Ordnung finde. Es sollte ca. 
1/2 minute maximal sein.
#4533155
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Hallo,

Pascal schrieb:
> Ändert sich bei 6V Versorgungs-U statt 5V die Frequenz
> bemerkenswert (->
> Strombegrenzungswiderstand, der aus den 6V durch einen Spannungsabfall
> von 1V 5V "macht" notwendig?) oder kann ich dir Beschaltung bei dem
> lassen wie es ist?

machen wir mal Grundlagen. ;-)
Ein IC hat in 99,99% aller Fälle keine konstante Stromaufnahme. Die 
hängt hier z.B. davon ab, wieveile Flip-Flops des Teilers gleichzeitig 
schalten.
Das können je nach internem Zählerstand einer oder alle sein.

Nun berechne bitte einen Vorwiderstand, der aus 6V 5V macht, wenn sich 
der Strom ständig ändert...
Sowas gleich gedanklich streichen. Entweder die vorhanden Spannung passt 
oder einen geigneten Spannungsregler.

Frequenzänderung wurde schon gesagt, das soll der Quarz ja möglichst 
gering halten. Die Uhrenquarze mit 32,768kHz sind übrends nicht so 
genau, sie sind billig und die zugehörige Schaltung durch die geringe 
Frequenz exterm stromsparend zu machen.

Quarze mit höherer Frequenz sind durch ihren Schnitt oft genauer, 
4,194304MHz ist z.B. so ein gängiger Wert.
Nachteil: mehr Teilerstufen, höherer Stromverbrauch.

Mehr als wenige Sekunden pro Tag sollten aber auch bei Deiner Version 
nicht auftreten. Mit dem Ziehtrimmer könnte man es noch reduzieren, 
hat(te) jede Quarzuhr drin. Bei Funkuhren unnötig, die werden ja 
gestellt.

Gruß aus Berlin
Michael
Gast #4533325
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karadur schrieb:
> 74HC4060 verträgt aber keine 9V!
Das ist richtig. Ich habe mich nun entschlossen, 6v zu verwenden, 
trotzdem werde ich den CD4060 von Texas Instruments verwenden (hält 18V 
aus).

> Mehr als wenige Sekunden pro Tag sollten aber auch bei Deiner Version
> nicht auftreten. Mit dem Ziehtrimmer könnte man es noch reduzieren

Leider gibt es bei Conrad soweit mir gesagt wurde keine 
Ziehkondensatoren... ist aber nicht schlimm.
Gast #4533343
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An Michael U.:
Ich habe mir nochmal dein Foto von der Schaltung angesehen.
Ist der gelbe Kondensator direkt mit + und - als Stützkondensator 
verbunden?
Wenn ja:
Kann ich anstelle dieses Kondensators auch einen 220uF Elko 
(Elektrolyt-C) verwenden?
#4533361
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Hallo,

Pascal schrieb:
> Leider gibt es bei Conrad soweit mir gesagt wurde keine
> Ziehkondensatoren... ist aber nicht schlimm.

naja...
Gib mal im Conrad-Shop
kondensator-trimmer
als Suchbegriff ein.

Pascal schrieb:
> Ist der gelbe Kondensator direkt mit + und - als Stützkondensator
> verbunden?

Ja, an jedes (digitale) IC gehört möglichst dicht an dessen 
Spannungsanschlüsse ein "Abblockkondensator", üblicherweise 100nF.
Er soll die kurzen Stromspitzen liefern, die beim 4060 z.B. beim 
Umschalten der Flip-Flops entstehen. Dicht an den Anschlüssen, weil die 
Zuleitungen dahin eine Induktivität haben, die sonst dafür sorgt, daß 
die Spannung am IC kurz einbrechen kann und zu Fehlfunktionen führt.

Bei einem 4060 mit nichts an den Ausgängen ist das noch recht 
unkritisch, man sollte sich aber gleich angewöhnen, die generell 
einzuplanen, sonst sucht man in komplexeren Schaltungen gern ewig nach 
zufälligen Fehlern.

> Kann ich anstelle dieses Kondensators auch einen 220uF Elko
> (Elektrolyt-C) verwenden?
Der hat durch seinen Aufbau eine so gro0e Eigeninduktivität, daß er 
diesen Zweck nicht erfüllen würde, also nein.
Einen Elko (22µ-47µ meist) bait man gern am Einspeisepunkt der Spannung 
auf einer Leiterplatte ein oder an Punkten, wo große Laständerungen 
auftreten (Relais, LED-Anzeigen usw.), um die langsameren 
Stromänderungen aufzufangen.

Ist real merklich komplexer, reicht aber meist erstmal als Grundregel 
bei Lochraster- oder Steckbrettaufbauten.

Gruß aus Berlin
Michael
Gast #4534174
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Ich habe jetzt die Schaltung von Michael U. aufgebaut, sie funktioniert 
nicht.
U=5V
Abblockkondens.: 100nF
LED und passender Vorwiderstand
Reset mit - verbunden
beide Kondensatoren in der Pierce-Schaltung: 22pF
Widerstand in der PierceSchaltung: 6,8MOhm
Beide C mit - verbunden
Quarz direkt an den IC-Ausgängen

Die LED leuchtet erst ca. 1min, danach geht sie aus... und nicht wieder 
an.
Was könnte der Fehler sein?
Ich versuche gleich das Bild vom Aufbau hochzuladen, das kann aber sehr 
lange dauern (kein Highspeed-Volumen mehr).
#4534272
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Hallo,

meine beiden irgendwo ausgelöteten Uhrenquarze liefen auch ohne den 330k 
stabil an, kann bei einem anderen Quarz natürlich durchaus anders sein.
Eigentlich war das ganze sehr unkritisch, ohne Quarz und Kondensatoren 
nur mit einem 1M Widerstand hat der Oszillator auch irgendwo 
geschwungen, zumindest blinkte die LED irgendwie. Ohne Quarz und mit 
Kondensatoren und den 22p schwingt bei mir nichts, ob die LED dabei an- 
oder aus ist beim Einschalten ist vom Zufäll abhängig.

Die 4060 der Hersteller variieren ja auch etwas, meiner ist ein 
Museumsstück CD4060BE von RCA...

Gruß aus Berlin
Michael
(Firma: 100nF 0603 X7R) #4534276
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Der Serienwiderstand ist bei diesem Typ Quarz sehr wichtig, da ohne ihn 
die in den Quarz eingekoppelte Leistung viel zu hoch ist. Ohne diesen 
Widerstand funktioniert die Schaltung nicht. Manche Quarze können durch 
zu viel eingekoppelte Leistung auch zerstört werden.
Wenn Michaels Schaltung ohne den Widerstand funktioniert, hat er Glück 
gehabt. Mit meinen 32kHz Stimmgabelquarzen hat es ohne den Widerstand 
nie funktioniert.
#4534434
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Hallo,

das Glück lasse ich gelten (mit 2 verschiedenen Quarzen.
Hätte ich kein Glück gehabt, wären die 330k reingekommen.
Ausgangspunkt war ja nur ein schnelles Experiment mit seiner Schaltung.

Mit einem 4060 bekommt man den Quarz wohl eher nicht sofort kaput, 
allerdings wird er ungenau durch die Belastung.

Da die Dinger meist von alten Uhren übrigbleinen und auch beim Kauf 
cent-Artikel sind und es nicht für Dauerbetrieb gedacht war, bin ich da 
vermutlich etwas großzügig...

Gruß aus Berlin
Michael
Gast #4534494
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Das ist wahrscheinlich der Grund.
Aber: im Datenblatt meines Quarzes (Bestell-Nr.: 168467-62 bei Conrad) 
steht auf S.2 in einer Tabelle in der Spalte des 0,032768MHz-Quarzes 
unter "Serienwiderstand Ohm (max.)" 31000.
Soll ich jetzt den 330kOhm durch einen 31kOhm Widerstand oder z.B. 
26kOhm Widerstand+10kOhm Poti ersetzen?
(Firma: 100nF 0603 X7R) #4534657
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Michael U. schrieb:
> das Glück lasse ich gelten (mit 2 verschiedenen Quarzen.
> Hätte ich kein Glück gehabt, wären die 330k reingekommen.

Ich hatte damals kein Glück, getestet mit div asiatischen Quarzen aus 
alten PC-Mainboards (286,386 usw). Nur mit dem Serienwiderstand hat es 
geklappt. Fürs Projekt wurden dann die Quarze bei B*rklin gekauft, die 
funktionierten auch nur mit dem Widerstand.

Pascal:
> in der Spalte des 0,032768MHz-Quarzes unter "Serienwiderstand Ohm (max.)" 31000.
Damit ist der ESR des Quarzes gemeint, NICHT der nötige Vorwiderstand. 
Der nötige Vorwiderstand ist abhängig von DEINER Schaltung, das kann der 
Quarzhersteller ja nicht wissen.

Glückwunsch zur funktionierenden Schaltung!
Gast #4568955
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Hier bin ich nochmal

Korrektur der Schaltung:
Der Widerstand mit 6,8MOhm sollte durch einen 10MOhm ersetzt werden 
(parallel zum Quarz), 330kOhm wäre auch besser als 100kOhm (in Serie 
(Strombegrenzung)).
Sonst weicht die Uhr nach 3 Stunden schon um 1 1/2min von meiner Funkuhr 
ab.
Werte gefunden auf: 
http://gsc-elektronic.net/digitalelektronik/11_quarzuhr.html
Die aktuelle Schaltung ist wie folgt aufgebaut:

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