DCF77 VFD Röhrenbausatz DCF77 „Melody” mit Gehäuse- und Antennenvariation

Einführung

Wenn man in der heutigen Zeit eine eine Funkuhr mit VFD-Anzeige haben möchte, gibt es nur wenige Möglichkeiten, an fertige Produkte zu kommen. Es gibt jedoch einen gut erhältlichen Bausatz, der eine VFD-Röhrenanzeige mit Einzelröhren der Typen IV-11, IV-6 und IV-18 (und Variationen) bietet:

https://www.grother.de/bausatz-iv-11-dcf-rtc-melody-neue-version.html

Diese Seite beschreibt meine persönlichen Erfahrungen mit dem Bausatz und meine abgewandelte Variante, bei der eine andere Antenne, anderes Netzteil und anderes Gehäuse zum Einsatz kommen, um eine mechanisch etwas robustere Gesamtkonstruktion und vielleicht auch verbesserte Empfangscharakteristik zu erreichen.

Motivation – Warum überhaupt DCF77 und VFD?

Dank „Funkuhrenempfang” mit DCF77 kann eine genaue Zeitanzeige bis auf die Sekunde erreicht werden. Außerdem entfällt das lästige Umstellen zwischen Sommer- und Winterzeit, da DCF77 die zugehörigen Informationen automatisch überträgt.

Verglichen mit einer GPS-basierten Lösung ergibt sich der Vorteil eines besseren Empfangs in Innenräumen, zumindest innerhalb Deutschlands. Gegenüber NTP besteht der Vorteil, auch ohne Internetverbindung auskommen zu können.

Die VFD-Anzeige ist eher eine Geschmacksfrage: Grundsätzlich habe ich den Eindruck, dass LCD-Anzeigen und (kostengünstige) Uhren mit Einzel-LED-Anzeigen oft schlechter ablesbar sind, da sie oft nur einen geringen Einblickwinkel erlauben. 7-Segmentuhren auf LED oder eben VFD-Basis sind diesbezüglich deutlich besser. Dabei hat die LED-7-Segmentanzeige den Vorteil der besseren Verfügbarkeit bei geringeren Anschaffungs- und Betriebskosten. Das VFD produziert meiner Ansicht nach dafür eine schönere Lichtfarbe (türkies).

Bei Interesse an LED-Uhren muss es nicht unbedingt ein Bausatz sein: Die „Typ 7” https://www.die-funkuhr.de/html/typ_7_______________.html verrichtet seit Jahren treu ihren Dienst im Arbeitszimmer. Für mich war das Argument, mal eine VFD-Uhr zusammenzubauen mehr die Experimentierfreude.

Der VFD-Bausatz: „IV-11 DCF, RTC, melody neue Version”

Der Bausatz kann in unterschiedlichen Varianten bestellt werden. Mir war die vollständige Uhrzeit- und Datumsanzeige wichtig, darüber hinaus brauchte ich keine weiteren Anzeigen oder Extrafunktionen. Von daher habe ich folgende Bausatzvariante bestellt:

• 98.00€ IV-11 / IV-6 DCF melody mit 4 x IV-11 und 2 x IV-6 Röhren
• 34.00€ IV-18 Datumsanzeige, 8 stellig auch für Temperaturanzeige
• 5.90€ Versandkosten

Die Zahlung erfolgte per Vorkasse und der Versand ging schnell (Bestellung Sonntag, Versand Dienstag, Lieferung Mittwoch).

Eckdaten

Die folgende Tabelle stellt ein paar Eckdaten zum Bausatz zusammen. Alle Angaben zu Gehäuseabmessungen sind exklusive der benötigten Stecker/Biegeradien. Diese sind entsprechend aufzuschlagen. Den für die mitgelieferten Kabel benötigten minimalen „Rangierplatz” habe ich in der Zeile Extratiefe für Anschusskabel angegeben.

Beschreibung	Original/Hersteller	Meine Variante
Stromaufnahme	0.450A @12V (= 5.4W)	4W primärseitig*
Abmessungen Bausatz (BxTxH)	235mm x 87mm x 100mm	237mm x 88mm x 102mm
Abmessungen Gehäuse (BxTxH)	275mm x 135mm x 107mm	298mm x 172mm x 198mm
Extratiefe für Anschlusskabel	42mm (PSU), 60mm (USB)	unverändert
Antennenbox (LxBxH)	70mm x 47mm x 27mm	70mm x 60mm x 30mm
Netzteil Primärseite	100–240V max. 0.6A	80–264V typ.max. 0.5A
Netzteil Sekundärseite	15V/1.66A, (25W)	15V/2.67A (40W)
Netzteil ohne Stecker (LxBxH)	83mm x 35 x 51mm	125mm x 50mm x 31.5mm
Polarität Netzteilstecker	Innen +, Außen -	unverändert
Netzteilbuchse	Hohlbuchse 5.5/2.1	unverändert

*) gemessen mit einem billigen Energiekostenmessgerät mit Anzeigegeauflösung 1W.

Beschreibung	Link
Anleitung	https://www.grother.de/media/files/Aufbauanleitung-IV_11-Vers-4-18-04-24.pdf
Stückliste, Schaltplan	https://www.grother.de/media/files/Schaltung-St-ckliste-IV-11-Vers-4-mit-IV_1-04-01-24.pdf
Schaltplan Antenne	https://grother.de/dcf-modul-01.html

Die Stromversorgung erfolgt über einen für diese Spannungs- und Stromstärke üblichen Hohlstecker mit Außendurchmesser 5.5mm und Innendurchmesser 2.1mm. Das mitgelieferte Steckernetzteil ist für ein Schaltnetzteil relativ groß (sieht ähnlich aus, wie ein bei einem Heimnetzrouter mitgeliefertes).

Alle zu lötenden Teile mit Ausnahme eines Optokopplers (Typ AQY212) sind THT-lötbar. Der Optokoppler ist für ein SMD relativ groß und daher mit einem üblichen Elektroniklötkolben und etwas Extravorsicht ebenfalls problemlos bestückbar.

Die Firmware für die Uhr wird vorgeflasht auf dem Hauptprozessor (Typ AT89C52) geliefert und ist meines Wissens nach proprietär ohne Quelltextverfügbarkeit. Ich habe nicht versucht, sie aus dem Chip auszulesen.

Auf den Modulen für den Lichtsensor und den 5V DC-DC-Wandler befinden sich SMD-LEDs, die im fertig aufgebauten Zustand leuchten. Der Bausatz sieht ferner vor, dass man LEDs in den Abstandhaltern zu den vertikal stehenden Röhren unterbringen kann, um die Röhren von unten zu beleuchten. Mitgeliefert werden dazu je ein Satz blaue und regenbogenfarben-wechselnde LEDs, sodass man wahlweise die eine oder andere Variante bestücken kann.

Antenne

Die Antenne ist abgesetzt und findet in einem separaten, mitgelieferten Kleingehäuse Unterbringung. Der Anschluss der Antenne an die Hauptleiterplatte erfolgt mit einer USB-B-Buchse in proprietärer Belegung. Diese ist nicht zur Verwendung mit anderen USB-kompatiblen Geräten gedacht, hat aber den Vorteil, dass ein passendes Kabel für eigene Antennenvarianten einfach verfügbar ist. Man sollte tunlichst vermeiden, „echte” USB-Geräte zu verbinden, um Schäden auf beiden Seiten zu vermeiden.

Ins Antennengehäuse kommt eine im Rahmen des Bausatzes zu bestückende THT-Leiterplatte, auf die neben einigen Einzeilbauteilen ein vorgefertigt geliefertes DCF77-Empfängermodul (größten Teils SMT) mit verbundener Ferritkernantenne bestückt wird. Die Platzverfügbarkeit im Kleingehäuse ist beengt und schränkt die Rangierbarkeit des Anschlusskabels ein.

Im Test stellte sich das fertig aufgebaut gelieferte Antennenmodul als mechanisch äußerst empfindlich heraus. Der Kupferdraht, der die Ferritkernantenne mit der SMT-Leiterplatte verband, riss beim Zusammenbau an der Antenne ab. Nachfolgende Versuche, das wieder zusammenzulöten scheiterten, sodass eine unsaubere Lösung mit einer Aderendhülse gewählt wurde.

Vermutlich wurde aufgrund der dadurch veränderten Induktivität der Spule der Schwingkreis verstimmt, sodass ein Empfang nachfolgend nur noch mit sehr genauer Ausrichtung des Antennengehäuses und mit großem (> 30cm) Abstand von allen anderen metallischen Gegenständen möglich war.

Eine Nachbestellung der Antenne wäre sicherlich möglich gewesen, ich entschied mich jedoch für eine Eigenkonstruktion auf Basis eines anderen Antennenmoduls.

Blockschaltbild, Links zu Datenblättern und Notizen zur Schaltung

┌──────────────────┐                    ┌───────────────┐ ┌────────────────┐
│ Eingangsspannung ├────────────────────│ Heizspannung -│─┤ Heizspannung   │
│ 12--15V; Soft-   ├────────────────────┤ IR2155        │ │ IR2155         │
│ Start mit FET    │                    └──┬────────────┘ └──┬─────────────┘
└───┬──────────────┘┌─────────────────┐ ┌──┴────────────┐ ┌──┴─────────────┐
    │               │ VFD-Treiber   2 ├─┤ Datumsanzeige │ │ Uhrzeitanzeige │
    │               │ LB1240 Segmente ├─│ IV-18 - - - - │─┤ IV-11 / IV-6   │
    │               └───┬───────────┬─┘ └──┬────────────┘ └──┬─────────────┘
┌───┴────────────┐  ┌───┴─────────┐ │   ┌──┴────────────┐ ┌──┴─────────────┐
│ DC-DC 44--48V  ├──┤ Lichtsensor ├─────┤ VFD-Treiber 5 │ │ VFD-Treiber  4 │
└───┬────────────┘  │ 35--39V *   ├─────│ LB1240 Gitter │─┤ LB1240 Gitter  │
    │               └─────────────┘ │   └──┬────────────┘ └──┬─────────────┘
┌───┴────────────┐  ┌───────────────┴─┐    │                 │
│ DC-DC 5V       ├──┤ Microcontroller ├────┘              ┌──┴─────────────┐
└───┬────────────┘  │ AT89C52         ├───────────────────┤ Decoder 74LS42 │
    │               └───┬─────────────┘                   └────────────────┘
┌───┴────────────┐      │
│ Externe        ├──────┘
│ Antenne DCF77  │
│ ZD auf 2.4V    │
└────────────────┘

*) Reduktion der 44–48V per Suppressordiode mit parallelgeschaltetem Optokopplerausgang, der durch den Lichtsensor gesteuert wird, um abhängig von der Umgebungslichthelligkeit die Anodenspannung an den Röhren zu reduzieren.

Komponente	Beschreibung und Datenblattlink
AT89C52	8-bit Microcontroller with 8K Bytes Flash
LB1240	Fluorescent Display Tube Driver
74LS42	4-Line BCD to 10-Line Decimal Decoders
IR2155	Self-Oscillating Half-Bridge Driver
LM2596	LM2596 DC-DC Adjustable PSU Module
LM393	Low Offset Voltage Dual Comparators
	(Kein Datenblatt zum eigentlichen Lichtsensormodul gefunden)
IV-18	VFD-Röhre 8x7-Segment
	Original-Datenblatt auf Russisch
IV-11	VFD-Röhre 1x7-Segment
	Original-Datenblatt auf Russisch
IV-6	VFD-Röhre 1x7-Segment

Kern der Steuerung ist ein Atmel-Microcontroller vom Typ AT89C52. An seinen Ausgängen sind direkt zwei VFD-Treiber und ein dritter Treiber per Decoder angebunden. Dabei wird ein Treiber für die Ansteuerung der Segmente und die zwei Anderen für die Gitter genutzt, sodass ohne Verwendung von Schieberegistern jedes Segment einzeln durch den Microcontroller adressiert werden kann.

Die unterschiedlichen Gleichspannungen werden per DC-DC-Wandler und Dioden generiert. Die Wechselspannung für den Heizdraht der VFD-Röhren wird mittels IR2155-Bausteinen erzeugt. Die Frequenz ist per Potenziometer verstellbar.

Zur Verringerung des Einschalstroms verfügt die Schaltung über eine Anlaufstrombegrenzung, die durch einen in Reihe geschalteten MOSFET und einen Elektrolytkondensator realisiert ist.

Aufbau

Für den Aufbau empfiehlt es sich, die Anleitung und den Schaltplan auszudrucken und darin die geplante Bestückungsvariante zu kennzeichnen. Ich habe die Anleitung vorher auch zweimal gelesen, damit ich eine Vorstellung davon bekam, welche Schritte erforderlich sind.

Grundsätzlich ist die Anleitung an einzelnen Teilkomponenten (Hauptleiterplatte, Antenneleiterplatte, Uhrzeitleiterplatte, IV-18-Erweiterung zur Datumsanzeige) orientiert. Die Trennung nach Leiterplatten gibt dabei durchaus Sinn. Bei der Bestückung innerhalb der Hauptleiterplatte habe ich aber versucht, statt der vorgeschlagenen Reihenfolge, von vornherein alle „Kleinteile” zu bestücken, da das Löten komfortabler ist, wenn noch keine größeren „Buckel” wie die USB-Buchse oder die Step-Down-Regler abstehen.

Material für Drahtbrücken wird nicht explizit mitgeliefert. Wenn man aber erstmal eine relevante Anzahl an Kleinteilen bestückt hat, kann man aus den überschüssigen, abgeschnittenen Anschlussdrähten jedoch genügend Drahtbrückenmaterial gewinnen.

Bei der Montage des 40-poligen IC-Sockels ist Vorsicht geboten: Ich hatte hier ein einzelnes umgeknicktes Beinchen nicht bemerkt und musste das dann beheben, nachdem schon mehrere der anderen Beinchen festgelötet waren.

Für meine Variante mit Datumsanzeige über die IV-18-Röhre lötete ich bei J1 die Brücke, sodass das Datum niemals auf der Uhrzeitanzeige erscheint, sondern ausschließlich separat.

Die Einstellung der 44–46V am DC-DC Step-Up-Modul kann im bereits bestückten Zustand erfolgen, da das Modul mit einer niedrigeren Spannungseinstellung (24V) ausgeliefert wird, man also nicht Gefahr läuft, beim Einschalten einen Schaden durch Überspannung hervorzurufen. Tatsächlich scheinen die 44V schon recht nahe am „Maximum” zu liegen, was der Step-Up unterstützt.

In der Prüfvorschrift auf S.6 der Anleitung werden mit einem grauen Kringel die Spannungen 35–39V markiert. Dieser graue Kringel taucht im Bild nicht auf, kann aber in hinreichend dunklen Umgebungen an den rot markierten IC-Sockeln gemessen werden. Bei mir war dieser Wert maßgeblich, die „Tagspannung” konnte ich nur direkt am Ausgang des Step-Up messen.

Beim Bestücken der Röhren ist der Hinweis zum Kürzen der Anschlussdrähte sowohl für die IV-11, als auch für die IV-6 und IV-18 hilfreich. Dabei muss man jedoch darauf achten, nicht zu viel abzutrennen. Bei mir war es einfacher, nicht jeden Draht gegenüber dem vorherigen zu kürzen, sondern dieses Schema nur bis zur Hälfte (also bspw. 1..7 bei der IV-11) zu nutzen und anschließend die Anschlüsse wieder länger werden zu lassen. Dann musste ich beim Einführen in die Löcher auf der Leiterplatte zwar zwei Drähte gleichzeitig berücksichtigen, hatte dafür aber in der Höhe mehr Spielraum und keine Probleme mit ungewollt wieder herausrutschenden Drähten.

Die Identifikation der richtigen Drähte an der IV-18 fiel mir anfangs schwer, da aus meiner Sicht alle daran befindlichen Drähte gleich lang sind. Glücklicherweise enthält die Anleitung Widerstandswerte für die Heizdrähte, die man dann per Multimeter „suchen” kann.

Bei der Bestückung der IV-18 bin ich etwas von der Anleitung abgewichen und habe die Anschlussdrähte etwas länger als 2mm überstehen lassen und anschließend die Kabel direkt an die Anschlussdrähte gelötet. Damit es nicht zu Kurzschlüssen kommen kann, habe ich die Verbindungen dort einzeln mit kurzen Schrumpfschläuchen geschützt. Dadurch verlängerte sich der „Wulst” an der IV-18 jedoch etwas.

Inbetriebnahme

Zur Inbetriebnahme habe ich zuerst alle Stecker angeschlossen und dann das Netzteil in die Steckdose gesteckt. Somit konnte ich verhindern, durch Abrutschen versehentlich mit den offen zugänglichen > 40V auf der Leiterplatte in Berührung zu kommen.

Anfangs hatte ich die Stecker an der IV-18 vertauscht, sodass nur Kauderwelsch angezeigt wurde. Das ließ sich jedoch schnell beheben, sodass bis zur 1. Synchronisation der Startwert „00.00.2000” dargestellt wurde.

Mir fiel sofort auf, dass die Darstellung in den Röhren flimmerte. Dazu empfiehlt die Anleitung, die Frequenz der Wechselspannung über die Potenziometer zu verstellen. Das geht für die Uhrzeit- und Datumsanzeige separat. Es gelang damit, eine kurzzeitig flimmerfreie Darstellung zu erzielen.

Nach einigen Stunden Betrieb flimmerte die Zeitanzeige aber erneut. Ich habe den Eindruck, dass die Röhren erst auf „Betriebstemperatur” kommen müssen, bevor ein Justieren über die Potenziometer Sinn ergibt. Durch erneutes Justieren nach etwa einem Tag Betrieb konnte ich für die Uhrzeitanzeige schon ein gutes Ergebnis erzielen. Die Datumsanzeige schien anfangs stabiler flimmerfrei zu sein, hat aber mit Verzögerung ebenfalls ein leichtes Flimmern entwickelt (nach ca. 2 Tagen) – hier konnte ich durch kurzzeitiges Öffnen des Gehäuses und Verstellen des Potis nochmal erfolgreich nachregeln. Insgesamt ist das Einstellen mit den kleinen Potis nicht einfach.

Das Poti am Lichtsensor zu verstellen brachte bei mir keine erkennbare Änderung, die Spannung bleibt bei mir immer im „Nachtmodus”. Auf meinem Lichtsensormodul befindet sich (anders als in der Anleitung abgebildet) eine Fotodiode statt eines Fotowiderstands. Insgesamt scheint der Lichtsensor für meine Zwecke zu unempfindlich zu sein.

Elektronische Änderungen bei meiner Variante

Auf der Startseite zum Bausatz (https://grother.de/index.html) steht fett: „Bitte nur die im Bausatz enthaltenen Bauteile bzw. Module verwenden.”

Die hier gemachten Änderungen widersprechen also direkt den Anweisungen zum Bausatz und sollten daher nur umgesetzt werden, wenn man bei dadurch verursachten Ausfällen und Ähnlichem in der Lage ist, auch ohne Unterstützung des Bausatzherstellers auszukommen. Außerdem könnten Garantieafragen nach Abweichen von der Anleitung zu Recht abgelehnt werden!

Das nur als Warnung an alle, die mit dem Gedanken spielen, ebenfalls eine „Variante” des Bausatzes zu realisieren.

Deaktivierte Röhrenbeleuchtung

Da ich die VFD-Darstellung visuell möglichst „für sich” stehen lassen wollte, bestückte ich zwar die LEDs in den Abstandshaltern, nicht aber den Widerstand R18, sodass die LEDs in den Abstandshaltern bei mir rein zur mechanischen Stabilität beitragen, indem sie das Verrutschen der Abstandshalter verhindern.

Aktuell stören im Gesamtbild noch etwas die hellen SMD-LEDs auf dem 5V DC-DC-Wandler und der Lichtsensorleiterplatte. Vielleicht werde ich sie im Laufe des Uhrenbetriebs noch mit etwas Isolierband überkleben?

Alternatives Netzteil

Generell bevorzuge ich bei Geräten integrierte Netzteile gegenüber Externen, da der zusätzliche Kasten immer irgendwo untergebracht werden muss oder benachbarte Steckdosen blockiert.

Die mitgelieferte Bauform als Steckernetzteil eignet nicht besonders gut für den Einbau in ein Gehäuse. Daher bestellte ich für den Einbau ein Netzteil mit einem Eurostecker auf der Eingangsseite. Dieses ließ sich ins Gehäuse integrieren und ist an sich schon mit Klasse II gut isoliert, sodass für die Gesamtkonstruktion auch ein Netzkabel ohne Schutzleiter in Frage gekommen wäre. Ich entschied mich dabei jedoch für die Variante mit Schutzleiter, sodass ein zukünftiger Austausch ggfs. durch ein Netzteil der Klasse I (bspw. falls das vorhandene kaputt gehen sollte oder ähnlich) nicht gleich ein komplett neues Kabel erfordern wird.

Als Netzteil wählte ich das Mean Well GSM40B15-P1J, welches die nötigen elektrischen Eckdaten besitzt (15V, 2.67A, geringe Restwelligkeit, passable Effizienz) und eine kompakte Bauform (LxBxH = 125mmx50mmx31.5mm) bietet. Darüber hinaus wird es sekundärseitig bereits mit dem passenden Hohlstecker in übereinstimmender Belegung mit den Erwartungen des Bausatzes (innen +) geliefert. Nachteilig zu erwähnen ist der etwas hohe Preis von 33.99€ (Stand 2023/02) sowie der mit 65A recht hohe Einschaltstrom.

Wenn man ein Hutschinennetzeil in Betracht ziehen will, ist das MW HDR-30-15 ebenfalls eine interessante Alternative: Es bietet 15V/2A, Klasse II, ebenfalls recht geringe Restwelligkeit, ähnliche Effizienz und einen geringeren Einschaltstrom von 45A bei einem deutlich günstigeren Preis von 18.33€.

Noch günstiger (12.02€) bekommt man das MeanWell RS-25-15 mit 15V/1.7A und Klasse I, welches mit 84% gegenüber 89% der anderen Netzteile aber eine geringere Effizienz aufweist und welches als Industrienetzteilbaustein im Gittergehäuse vor allem bzgl. der Kühlung auf bessere Luftzirkulation angewiesen ist. Da ich mit einem komplett geschlossenen (eingeschränkt sogar wasserfesten) Gehäuse arbeiten wollte, schied diese Variante für mich aus.

Alternatives Antennenmodul

Nachdem ich das mitgelieferte Antennenmodul beim Zusammenbau bereits beschädigt hatte, war die Entscheidung, nochmal nach alternativen Antennenvarianten zu suchen, schnell getroffen.

Für Privatkunden ist der Markt für solche Antennenmodule relativ übersichtlich, insbesondere wenn man die Verfügbarkeit eines Datenblattes mitberücksichtigt. Ich konnte als relevante Varianten nur zwei passende Artikel finden:

Kennzahl	Reichelt DCF77 MODUL	ELV DCF-Empfangsmodul DCF-2
Preis/€	15.20	9.95
U/V	1.2–5	1.2–15
Imax/µA	100	3000
max. Einschwingzeit/s	65	keine Angabe, 4?
Impulsbreite 0/ms	40–130	> 60 (typ. 95)
Impulsbreite 1/ms	140–230	> 150 (typ. 195)

Beim ELV-Modul ist der Kondensator für den Antennenschwingkreis direkt an der Antenne befestigt und die Verbindung zur SMT-Leiterplatte erfolgt mittels einer (verglichen mit den Antennendrähten selbst) robusten Litze. Darüber hinaus ist der Schaltplan des Moduls im Datenblatt enthalten.

Daher fiel die Wahl auf das ELV-Modul. Insbesondere entspricht der Schaltplan des ELV-Moduls zu einem Großteil dem, was beim im Bausatz mitgelieferten Modul extern beschaltet wurde, vergleiche dazu die Schaltpläne in den folgenden beiden Links:

• https://files2.elv.com/public/09/0916/091610/Internet/91610_dcf_empfangsmodul_dcf_2_ds.pdf
• https://grother.de/dcf-modul-01.html

Insbesondere die Schaltung der Kondensatoren, der Zenerdiode und des Transistors weisen große Ähnlichkeiten auf, auch wenn sich die konkreten Werte etwas unterscheiden. Einzig die LED mit Vorwiderstand und der C103 mit 10nF fehlen im ELV-Modul, um die Kompatibilität mit dem Rest des Uhrenbausatzes herzustellen.

Die zugehörige minimalistische Schaltung skizzierte ich von Hand und baute sie auf einer alten Streifenrasterplatine auf, die mit in ein neues, externes Antennengehäuse kam.

Als externes Antennengehäuse wählte ich ein etwas Größeres als das beim Bausatz Mitgelieferte, um ausreichend Platz fürs Kabelmanagement zu haben. Zwecks Kostenersparnis wurde dieses nicht wasserfest gewählt (keine Dichtung), sodass auch problemlos ein kleines Loch für die LED gebohrt werden konnte, mit dem man qualitativ die Empfangsqualität überwachen kann.

Bei der Wahl der Antenne habe ich Möglichkeiten zum Bezug „professioneller” Antennen weitgehend außen vor gelassen, da diese oft nur an Geschäftskunden und dann auch oft nur sehr teuer verkauft werden. Wenn man den Bausatz in diese Richtung erweitern will wäre es ein interessanter Ansatz, einen Empfänger von HKW zu besorgen – einen solchen kann man als Privatkunde vielleicht hier bekommen („DCF 77 High End-Empfänger”) – Preis wohl auf Anfrage: https://die-funkuhr.de/html/funk-empfanger.html (alternative URL? https://die-funkuhr.de/html/wlan.html).

Stückliste Gesamtkonstruktion mit Preisen und Links

In der folgenden Tabelle habe ich versucht, alle Verbrauchsmaterialien aufzulisten, die ich für die Konstruktion meiner Variante des Bausatzes incl. Gehäuse genutzt habe. Die Liste ist gruppiert nach Lieferanten und listet die Lieferanten auf, von denen ich tatsächlich bezogen habe.

Je nach dem, wann man bestellt und ob man noch weitere Objekte in der Bestellung hat, kann es sich lohnen, Teile auch von anderen Lieferanten zu beziehen. Grundsätzlich empfehle ich, diese Liste eher als Inspirationsquelle zu nehmen, als zu versuchen, diese Variante 1:1 nachzubauen. Damit kann man auch Verfügbarkeitsproblemen wie bspw. der schlechten Lieferbarkeit des Gehäuses entgegenwirken. Zum Gehäuse folgt im Anschluss an die Stückliste aber noch ein dedizierter Abschnitt.

Lieferant	Anzahl	Beschreibung	Stückpreis/€	Gesamtpreis/€	Bestellnummer mit Link
bauhaus.info	2	Flachstahlanker 2mm aka. Winkel	1.35	2.70	4003984211130
bauhaus.info	2	Stuhlwinkel CA. / Winkel 80mm	0.90	1.80	4003984200332
bauhaus.info	1*	100x Mutter M4 (DIN934 VZ)	2.55	2.55	4024506267428
bauhaus.info	1*	100x Federring M4 (DIN127 VZ)	2.10	2.10	4024506267800
bauhaus.info	1*	100x Schraube M4 (DIN7985 VZ)	3.80	3.80	2020087922994
conrad.de	1	MW GSM40B15-P1J Netzteil 15V	33.99	33.99	1837965-62
conrad.de	1	Gehäuse Fibox CAB PCQ 302017 T	114.99	114.99	807785-62
conrad.de	1	Montageplatte Fibox EKIV 23	11.99	11.99	792010-62
conrad.de	2	Ölflex Classic 110 3x0.5mm²	1.29	2.58	601693-62
conrad.de	1	Druckausgleichselement M12	4.29	4.29	530149-62
conrad.de	5	WKK Befestigungssockel quadr.	0.15	0.75	1553245-62
conrad.de	1	Anschlusskabel H07BQ-F 3G1.5 5m	20.99	20.99	551748-62
conrad.de	1	Kabelverschraubung M16 mit M.	3.49	3.49	2379487-62
conrad.de	1	Versandkosten ab 59.95€ = 0	0.00	0.00
elv.de	1	ELV DCF-Empfangsmmodul DCF-2	9.95	9.95	091610
elv.de	1	Antennengehäuse Stapubox ABS	2.15	2.15	101662
elv.de	1	Schraubklemme AK500/3DS-5.0-V	0.42	0.42	101227
elv.de	4	Distanzrollen DR 085 V0, L=5mm	0.02	0.08	001744
elv.de	1	Low-Current-LED 3mm gelb	0.39	0.39	058356
elv.de	2	Kabelverschraubung M12	0.34	0.68	127567
elv.de	3	Metrische Gegenmutter M12	0.12	0.36	127571
elv.de	1	Versandkosten Best.-Wert. < 29€	3.99	3.99
grother.de	1	IV-11/IV-6 DCF melody	98.00	98.00	Pos.1.1
grother.de	1	IV-18 Datumsanzeige, 8 stellig	34.00	34.00	Pos.1.4
grohter.de	1	Versandkosten (immer)	5.90	5.90
reichelt.de	1	Quetschakabelschuh M4	0.05	0.05	QS 1,5-4
reichelt.de	4	Kabeldriller mit Klebeplatte	0.27	1.08	KAB-DRILLER SK1
reichelt.de	1*	Schrumpfschlauch/Innenkleber	4.10	4.10	SDK 20,0 SW
reichelt.de	1	Versandkosten (immer)	5.95	5.95
Vorrat	4	Schraube M2.5
Vorrat	4	Mutter M2.5
Vorrat	1	Eurokabel (230V Anschluss)
Vorrat	1	3-pol Lüsterklemme
Vorrat	N	Schrumpfschlauch dünn
Vorrat	N	Lötzinn bleifrei
Vorrat	N	Aderendhülsen
Vorrat	N	Streifenrasterplatine f.Antenne
Vorrat	N	Kabelbinder, verschiedene

*) Deutlich größere Menge als benötigt, aber generell als Vorrat nützlich. Vorrat := Wurde nicht extra für dieses Projekt eingekauft und daher auch nicht in den Kosten erfasst.

• Gesamtkosten 373.12€ davon 15.75€ Versand.
• Aufbauzeit ca. 35h mit mittelmäßigem Werkzeug. Davon rein der Bausatz etwas weniger als die Hälfte. Angabe incl. Rüstzeit und Zeit zur Fehlerbehebung bei der Antenne und dem 40-poligen IC-Sockel (siehe vorangegangene Abschnitte).

Gehäusewahl und -Konstruktion

Es gibt vielfältige Wege, den Bausatz mit einem Gehäuse zu versehen. Der Anbieter selbst bietet ein „Acrylgehäuse schwarz, transparent mit Aluprofil eloxiert, OpenSky” für 18€, bei dem die Röhren aus dem Gehäuse herausragen (vgl. Bild des Anbieters: https://grother.de/media/images/IV-11_IV-6.jpg). Außerdem gibt es zur Inspiration eine Galerie auf der Anbieterwebseite, die verschiedene Gehäusevariationen zeigt, die Kunden für einen oder mehrere der angebotenen Bausätze realisiert haben: https://grother.de/galerie-nixis-vfd-clocks.html

Ich wollte die Uhr in der Küche aufstellen und die Elektronik vor dort auftretenden Dämpfen und ggfs. verschütteten Getränken etc. schützen, sowie die empfindlichen gläsernen Röhren vor mechanischen Schäden. Da die Leistungsaufnahme und somit auch die Wärmeemission der Uhr geringer ist, als ich bei Röhren erwartet hätte, kam ein komplett geschlossenes Gehäuse in Frage.

Für die Ablesbarkeit von VFDs ist es generell hilfreich, den Kontrast durch Einbau hinter einer verdunkelten Scheibe zu erhöhen. Das ist bspw. bei typischem A/V-Equipment mit (kleinen) VFD-Anzeigen oftmals durch eine rötliche Scheibe realisiert.

Meine Anforderungen ans Gehäuse waren also folgende:

• Komplett geschlossen
• Verdunkelte Scheibe/Gehäusedeckel
• Hinreichend Platz zur Aufnahme von Bausatz und Netzteil

Schaltgehäuse mit Montageplatte, wie sie in industriellen Umgebungen oder auch draußen zum Einsatz kommen, scheinen dafür ideal zu sein.

Bei der Recherche nach Gehäusen fand ich eine große Auswahl an Varianten beim Conrad. Hier eine Auswahl der gefundenen Gehäuse:

• Fibox PC 200/175 XHT – 73.99€ zzgl. Montageplatte 8.49€, 255x180x175mm – Bei diesem Gehäuse gefällt mir das Design nicht so gut. Außerdem wäre der Platz darin recht eng geworden, es hätte aber vsl. alles reingepasst. Es ist die kostengünstigste Variante für ein internes Netzteil, die ich in Betrachtung gezogen habe.
• Fibox CAB PCQ 302017 T – 114.99€ zzgl. Montageplatte 11.99€, 300x200x170mm – Dieses Gehäuse habe ich am Ende gewählt, weil mir das Design mit den blauen „Schrauben” an den Gehäuseecken gut gefällt.
• Spelsberg GEOS-L 303-18-to – 114.99€ zzgl. Montageplatte 23.99€, 300x300x180mm – Auch dieses Gehäuse hat ein ansprechendes Industriedesign, allerdings ist es von der Größe her reichlich überdimensioniert, sodass das Gesamtergebnis sehr wuchtig geworden wäre. Die zusätzlichen 10cm Gehäusehöhe gegenüber dem gewählten Gehäuse wären trotzdem nicht verschenkt, denn eine höhere Scheibe erhöht durchaus den Einblickwinkel: Man kann dann auch noch aus ziemlich flachen Winkeln „von oben” auf die Uhr gucken, wenn das Gehäuse bspw. auf der Arbeitsplatte steht und man sich dann direkt davor stellt. Mit IK09 ist dieses Gehäuse nochmals stabiler als die gewählte Variante (IK08), allerdings sind beide Stoßfestigkeitsgrade für den Hausgebrauch deutlich überdimensioniert.
• Rittal PK 9524.100 – 119.99€ zzgl. Montageplatte 27.99€, 360x254x165mm – Dieses Gehäuse hat eine Bauform, bei der die Netzteilwahl und -Montage vielleicht anders hätte ausfallen können, da es in der Breite deutlich mehr Platz bietet. Generell habe ich bei der Gehäusewahl die Stahlmontageplatten bevorzugt, für dieses Gehäuse bietet Conrad mir aber nur die Kunststoffvariante an, die mit 27.99€ durchaus teuer ist. Obwohl ich sie aus Stabilitätserwägungen eher nicht bevorzugen würde, böte eine Kunststoffmontagplatte auch wieder Raum für Überlegungen, die Antenne vielleicht doch ins Gehäuse zu integrieren (ohne Metallplatte => weniger Empfangsstörungen). Eine solche Variante zog ich allerdings nicht aktiv in Betracht.

Nachdem ich mich für das „CAB PCQ 302017 T” entschieden hatte und damit die Maße genau festgelegt waren, fertigte ich Zeichnungen in Grund- und Aufriss im Maßstab 1:1 an, um zu prüfen, dass die angedachte Belegung durch Bausatz und Netzteil auch tatsächlich ins Gehäuse passen würde.

Die Zeichnungen sind schematisch aufgebaut, insbesondere der Grundriss lässt einige Elemente weg, die symmetrisch oder „eh klar” sind. Bei der Darstellung im Aufriss ist oben rechts noch die Extraleiterplatte für die eigene Antennenvariante eingezeichnet, die ich am Ende nicht im Hauptgehäuse, sondern im Antennengehäuse untergebracht habe. Auch die Darstellung zur Stromversorgung ist auf der Zeichnung noch in einem früheren Stadien: Damals hatte ich noch vorgesehen, die 230V mittels eines Steckers ins Gehäuse zu führen. Aus Robustheits- und Kostengründen entschied ich mich am Ende aber für die (nach außen gesehen) „feste Verdrahtung”.

Damit ist der Aufbau folgender:

An der Montageplatte werden unten zwei Winkel befestigt. Auf die Winkel kommen Schrumpfschläuche zur Rutschhemmung (bessere Alternativen sind natürlich denkbar). Auf die Schrumpfschläuche kommt das Netzteil und wird mit Kabelbindern fixiert.

Die Montage des Netzteils ist nahe an der Montageplatte, um einen günstigen Schwerpunkt, passable Kühlung und maximale Platzverfügbarkeit zu erreichen.

Zwei weitere Winkel dienen als Ausleger, auf denen der Bausatz mittels isolierter Abstandshalter und Schrauben befestigt wird. Die Montage erfolgt so, dass der Bausatz sich möglichst nahe an der Scheibe befindet, um eine gute Uhrzeit- und Datumsablesung zu ermöglichen. Außerdem wird der Platz richtung Montageplatte benötigt, um die Steckerlänge für die am Bausatz einzusteckenden Hohl- und USB-Stecker aufzunehmen. Daher ist auch eine vergleichsweise große Gehäusetiefe erforderlich. Die Alternative hierzu wäre die Kombination eines flacheren Gehäuses mit abgewinkelten Steckern für Stromversorgung und USB. Eine weitere Variante wäre es, die Kabel direkt auf die Hauptleiterplatte zu löten.

Auf die Montageplatte kommt eine 3-Pol-Lüsterklemme zur Anbindung der externen Antenne. Somit könnte das Verbindungskabel zwischen Uhr und Antenne im Nachhinein ausgewechselt werden, da auf beiden Seiten hinter den Kabelverschraubungen jeweils Schraubverbindungen kommen, um die einzelnen Adern „aufzulegen”.

Die 230V-Leitung wird über ca. 20cm abisoliert und die Erdung auf die Montageplatte gelegt. Phase und Neutralleiter werden verkürzt und mit einem 2-adrigen Kabel verbunden, an dessen Ende sich der Eurostecker fürs Netzteil befindet. Die Leiter werden mit schmalen Schrumpfschläuchen einzeln isoliert, der gesamte Übergang, in dem der Außenmantel der Kabel fehlt wird nochmal von einem dicken Schrumpfschlauch ummantelt, sodass an dieser Stelle (theoretisch sogar bei geöffnetem Gehäuse) bereits eine doppelte Isolation gegeben ist.

Fazit

Der Zusammenbau des von der Beschreibung her durchaus komplexen Bausatzes ging erstaunlich gut und mit wenigen Fehlern von der Hand. Für das Gelieferte ist der Bausatz preislich absolut angemessen. Etwas schade ist, dass die Firmware nicht frei verfügbar ist.

Ich könnte mir nämlich vorstellen, durchaus auch mal ein eigenes DCF77-VFD-Projekt ohne fertigen Bausatz zu realisieren. Dazu sind funktionierende Beispiele immer als Inspiration interessant. Außerdem wäre es interessant, zu verstehen welches Antennensignal die Firmware genau erwartet und wie die Synchronisation mit dem DCF77-Zeitsignal genau realisiert ist. So konnte ich bspw. einmal beobachten, dass beim Tageswechsel (23:59, 00:00, 00:01) das Datum noch auf dem alten Wert stehen blieb. Ohne Quelltext lässt sich aber nur mutmaßen, wie die Beobachtung genau zu interpretieren ist.

Der mechanische Aufbau eines passenden Gehäuses ist in Aufwand und Preis nicht zu unterschätzen, gelang aber (auch dank guter Qualität der Komponenten) nach Plan, nachdem ein geeignetes Gehäuse ausfindig gemacht werden konnte.

Im Hinblick auf die Notwendigkeit, Energie zu sparen wo es geht, sind VFD-Uhren keine gute Lösung. Es ist also empfehlenswert, alternative Anzeigevarianten wie LCD (sehr sparsam), LED 7-Segment (vernünftige Standardlösung), OLED (moderne Lösung) oder Nixie/Panaplex (nicht viel sparsamer als VFDs) weiterhin im Blick zu behalten.

Am Ende ist es wohl hauptsächlich eine Geschmacksfrage oder die Frage, ob moderne, handyverbundene Menschen überhaupt noch dedizierte Uhren brauchen – ich jedenfalls schon :)