Elektronischer Würfel mit Ausroll-Effekt und Würfel-Sound

Die Winterzeit fängt an und die Kinder sind in das Würfelspiel-Alter kommen. Bei den letzten Spielen wurde auch ganz schön geschummelt von meinen Frauen. Jetzt war es jetzt so weit, ein nicht manipulierbarer Würfel musste her.
Nach einigen Recherchen was es so gibt habe ich mich entschlossen einen Würfel mit Ausroll-Effekt Klacker-Sound und echten Würfel-Punktaugen zu entwickeln. Das ganze mit Bauteilen aus altem Elektroschrott. Das ganze sollte in das Gehäuse einer alten batteriebetriebenen Lampe passen. Diese Lampe ist wie ein Buzzer-Button gestaltet und kann auch gedrückt werden (EIN/AUS-Schalten).
Anforderungen waren:  

• Betrieb mit 2* 1,5V Akku/Batterie d.h. 1,7V-3,2V,
• möglichst geringe Stromaufnahme (max.25 mA) damit die Akkus lange halten,
• kein separater EIN/AUS-Schalter den man nur vergisst,  sondern automatisches Abschalten nach 5min

Als Spannungsquelle wurde gleich mal die Schaltung aus dem Kapitel "Step-UP mit Solar-Lampen" genommen. Damit stehen schon mal 3,5V bei max. 25mA zur Verfügung.



die Spannungsversorgung

Natürlich kann man auch eine andere Stromversorgung ohne Step-UP Wandler realisieren solange man mind. 3V Versorgungsspannung gewährleisten kann.

Step-UP Wandler als Modul

Als EIN-Schalter dient der gleiche Taster der auch den Würfelvorgang startet. Das automatische Abschalten erfolgt über eine Halteschaltung nach etwa 7 min.
Der Taktgeber wird durch einen diskret aufgebauten Multivibrator realisiert welcher schon ab 1V läuft und mit etwa 2mA auskommt.

Taktgenerator mit Ausroll-Effekt als Modul

Als Zähler wurde die Variante mit einem 4017 gewählt da sie aufgrund ihrer Einfachheit eigentlich nur noch von einem µP übertroffen wird. Ich habe die Logik mal nachvollzogen und kann versichern das alle Zahlen von 1-6 mit der gleichen Wahrscheinlichkeit auftreten.
Zur Anzeige wurden weiße Led's aus einer alten Led-Birne genommen welche schön hell bei 1,5mA @ 2,6V leuchten.

realisierte Würfelschaltung

Weitere Erklärungen stehen im Textfeld des Schaltbildes. Wichtig zu wissen ist noch dass V4 und V2 in Wirklichkeit nicht existieren... sie dienten nur für die Simulation. Als Transistoren können nahezu beliebige Kleinleistungstransistoren genommen werden. Einzig kritisch ist das Mosfet X2 den sein Uth bestimmt die minimal mögliche Batteriespannung also da unbedingt mal ins Datenblatt des jeweiligen verfügbaren Typen schauen und etwas mit Uth < 1,7V wählen.
Zu dem Buzzer muss noch gesagt werden das er im Würfel-Takt für jeweils etwa 5ms angesteuert wird. Es sollte also ein kleiner Buzzer sein der in 5ms bereits anschwingt und Lärm macht... das klinkt dann ähnlich einem "klack". Er sollte auch nicht mehr als 20mA @3V aufnehmen. Das kann z.B. auch ein Melodiegenerator aus einer Grußkarte etc. sein. Muss man nur probieren ob der schon Krach innerhalb von 5ms macht.
Wenn man keinen Sound will dann kann man R24, X8 und den Buzzer auch ganz weglassen.
Aufgebaut wurde das ganze in der alten Lampe und der dort verbaute EIN/AUS-Schalter wurde durch einen Taster ersetzt welcher zwei unabhängige Schalter hat (S3 und S1).

Würfel fertig aufgebaut
Links oben Spannungsversorgungsmodul (Step-UP) davor der kleine Buzzer
Links unten Taktgenerator mit Ausroll-Effekt
Rechts unten Logik-Modul mit 4017
Rechts oben Anzeige-Led's mit Vorwiderständen
  

Step-UP mit Solarlampen IC's CL0116, YX805, YX8018...

 

 

Leiterplatten aus Solarlampen

Ich bekomme öfter ausrangierten Garten Solar Lampen. Da lohnt es sich auch mal die verbauten IC’s genauer anzuschauen ob man damit noch was Sinnvolles machen kann, denn sonst sind nur die kleinen Solarpanele weiter verwendbar.

Meist sind vierbeinig IC’s verbaut welche z.B. CL0116, YX805 oder YX8018 heißen. Zunehmend sind auch direkt auf die Leiterplatte montierte Chips verbaut ohne jegliche Bezeichnung welche aber oft den genannten sehr ähnlich sind bzw. denen entsprechen.

Datenblätter sind nur sehr rudimentär vorhanden mit wenigen Informationen und teilweise nur in chinesisch da diese Chips scheinbar auch nur in Fernost produziert werden.

Hinweis: auf dem CL0116 steht nur 0116 zumindest bei meinen Modellen.

Als Beispiel mal ein Datenblatt…

Beispiel Datenblatt  CL0116

Nach etwas rumprobieren scheinen diese IC’s recht brauchbar als Step-UP Wandler für kleine Ströme bis max. 80mA und max. 5V.

Die Induktivität muss je nach IC-Typ für gleichen Strom angepasst werden.
Bei dem YX805 gab es manchmal Probleme mit dem Anschwingen.

Beispiel Datenblatt YX805

Eigentlich sind die IC so gedacht, dass sie einen simplen Step-UP Wandler darstellen der je nach Induktivität und Eingangsspannung einen halbwegs konstanten Ausgangsstrom erzeugt um damit eine LED zu betreiben.

 

Beispiel für die einsetzbaren Induktivitäten

Bei schwankender Eingangsspannung, welche zwischen 0,8V - 3,5V liegen kann (zumindest bei „meinen“ CL0116 und YX…), schwankt auch sehr stark der Ausgangsstrom. Beispiel gemessen: 0,8V à 5mA   ;   3V à 50mA. Entsprechend schwankt dann auch die Ausgangsspannung wenn man nicht gerade eine Konstantspannungslast (LED…) treibt.

Wenn das egal ist sieht eine Anwendung z.B. so aus wie sie auch in einigen Datenblättern zu finden ist.

 

ungeregelte Version d.h. Ausgangsspannung ist lastabhängig

Das war für meine Zwecke aber nicht befriedigend also musste eine Regelung der Ausgangsspannung her. Nach einigem Experimentieren war klar, dass der SOL-Eingang (Plus vom Solarpanel) ganz gut geeignet ist für eine Regelung. Normalerweise dient der dazu den Wandler zu stoppen wenn eine Spannung an SOL detektiert wird (Solarpanel hat Licht d.h. LED kann abgeschaltet werden da Tag ist).
Je nach IC Typ funktioniert die entworfene Regelung besser oder schlechter. Am besten ging bei mir der CL0116. Die einfache Schaltung mit Ausgangsspannungs-Glättung (L2/C4) sieht dann so aus.

einfache Version mit Uaus 5V und max. 60mA bei mind. 1,7V Uein

Durch den Optokoppler X1 (Typ unkritisch z.B. 817) wird bei Erreichen der gewünschten Ausgangsspannung der Wandler kurz abgeschaltet und er schaltet wider ein wenn die Spannung absinkt. D.h. die Ausgangsspannung wird konstant gehalten ist aber etwas wellig.
Über den Wert der Z-Diode wird die maximale Ausgangsspannung eingestellt. In etwa gilt Ufluss Z-D. + Ufluss Optokoppler-D. + Ufluss LED  = MAX Ua.
Die rote Led kann auch weggelassen werden und entsprechend die Z-Spannung der Diode um 1,6V erhöht werden. Vorteil der verwendeten roten Led ist, dass sie gleich noch als Batterieindikator/Bereitschaftsanzeige genutzt werden kann. Es sollte ein Low-Power Typ sein der schon bei 2mA hell leuchtet.
Über den Widerstand R4 kann man ein Feintuning der Ausgangsspannung vornehmen (+- 0,5V). Der kann im Bereich von 200 Ohm bis 5KOhm liegen.
Mit diesem Wandler kann man gut kleine Schaltungen betreiben mit einer oder zwei 1,2V bzw. 1,5V Zellen d.h. 0,8V-1,6V oder 1,6V-3,2V. Machbar sind Ströme bis etwa 80mA an 3V und immerhin noch 60mA an 5V… einstellbar mit der Größe der Induktivität. Diese Werte sind aber abhängig von dem jeweiligen IC und Hersteller. „Meine“ YX805 und CL0116 entsprechen z.B. nicht genau den Datenblättern die ich fand. D.h. man muss selber probieren welche Induktivität notwendig ist um einen entsprechenden Strom/Spannung zu erzeugen.
Bei einigen Exemplaren stellte ich bei Induktivitäten kleiner als 100uH und Eingangsspannungen größer 2,7V eine Art Überlastverhalten fest was zu einer stark erhöhten Stromaufnahme und damit Überhitzung des IC führt. Also wenn man sicher sein will das unbedingt vorher ausprobieren!
Ob Spannungen über 5V dauerhaft zulässig sind weiß ich nicht aber laut Datenblatt wohl eher nicht.
Die Regelung ist mit einem CL0116 recht stabil d.h. 0,1V Schwankung, bei einem YX805 waren es 0,3V.
Die Welligkeit der Ausgangsspannung ist mehr oder weniger stark…. je nach Last d.h. wie stark die Regelung einsetzen muss. Aber der Stromspareffekt im „Leerlauf“ ist enorm: die Stromaufnahme sinkt auf etwa 10%. Der Wandler an sich hat einen Wirkungsgrad um die 75%.

Ich wollte es noch etwas geglätteter um damit einen elektronischen Würfel zu betreiben an 2x 1,5V Batterien (1,6V-3,2V) der zwischen 5mA und 25mA aufnimmt bei maximal 3,5V (danach wird abgeregelt). Die Luxusvariante mit Ausgangsspannungs-Schwankungen von nur 60mV sieht dann so aus. 



Geregelte Variante mit geringer Ausgangswelligkeit

Auch hier für die blaue Led am besten einen Low-Power Typ verwenden, damit sie gleichzeitige noch als Bereitschafts-Led genutzt werden kann.

Das Ganze wurde gleich auf die Minileiterplatte aus der Solarlampe aufgebaut und sieht dann so aus.

Step-UP mit geregelten 3,5V und max. 25mA bei mind. 1,7V Uein